JP2019536297A - Solid-state optical amplifier with active core and doped cladding in a single chip - Google Patents

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Abstract

固定光増幅器が開示されている。固定光増幅器は、アクティブコアと、ドープされたクラッドと、を1つのチップ内に有する。アクティブ光コアは、基板上に形成されている構造内のドープされたクラッドを通過する。LED等の発光構造は、光コア内、及び/又は、光コアに隣接して形成されている。クラッドは、例えば、エルビウム、又は、他の希土類元素又は金属がドープされている。いくつかの例示的な装置および形成方法が提供される。【選択図】図7A fixed optical amplifier is disclosed. The fixed optical amplifier has an active core and a doped clad in one chip. The active optical core passes through a doped cladding in a structure formed on the substrate. Light emitting structures such as LEDs are formed within the optical core and / or adjacent to the optical core. The cladding is doped, for example, with erbium or other rare earth elements or metals. Several exemplary devices and methods of formation are provided. [Selection diagram] FIG.

Description

以下は一般に、光通信ネットワークで使用される光学部品に関し、特に、光信号を増幅することができる光デバイスに関する。   The following relates generally to optical components used in optical communication networks, and more particularly to optical devices capable of amplifying optical signals.

エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)又はプラセオジムドープファイバ増幅器(PDFA)は、それぞれ、1550nm又は1310nmの波長ウィンドウの光ネットワークに広く用いられている。図1は、従来技術のEDFA又はPDFAに典型的に含まれる複数の光学部品を示す。ポンプレーザ光源102からの光パワーは、波長分割多重(WDM)カプラ104によって入力信号101と結合される。次いで、結合された入力信号及びポンプレーザ光は、そのコアにエルビウム又はプラセオジムイオンがドープされたファイバ103の部分を通過する。ポンプレーザ光は、エルビウムドープ(又はプラセオジムドープ)ファイバ103に埋め込まれたエルビウム又はプラセオジムイオンをより高いエネルギー準位に励起する。次いで、光入力信号101は、誘導放出を誘起し、増幅され、出力信号が生成される。しかし、増幅された自然放出(ASE)ノイズも同時に発生し、増幅された入力信号101にノイズが生成される。従って、出力信号106は、増幅された入力信号と、ASEノイズ成分と、からなる。エルビウムドープ又はプラセオジムドープファイバ103の後に、アイソレータ105が位置する。このアイソレータ105は、下流の光ファイバ及び他の構成要素からの後方散乱パワーがEDFA又はPDFAに再入射するのを防止することを意図している。この望ましくない後方散乱パワーは、さもなければ増幅され、これによりEDFA(又はPDFA)の通常の特性及び性能を妨害する。また、図1には、ポンプレーザ監視ポート107が示されている。   Erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) or praseodymium-doped fiber amplifiers (PDFAs) are widely used in optical networks with 1550 nm or 1310 nm wavelength windows, respectively. FIG. 1 shows a plurality of optical components typically included in prior art EDFAs or PDFAs. The optical power from the pump laser light source 102 is combined with the input signal 101 by a wavelength division multiplexing (WDM) coupler 104. The combined input signal and pump laser light then pass through the portion of fiber 103 whose core is doped with erbium or praseodymium ions. The pump laser light excites erbium or praseodymium ions embedded in the erbium-doped (or praseodymium-doped) fiber 103 to a higher energy level. The optical input signal 101 then induces stimulated emission and is amplified to produce an output signal. However, amplified spontaneous emission (ASE) noise also occurs at the same time, and noise is generated in the amplified input signal 101. Therefore, the output signal 106 includes an amplified input signal and an ASE noise component. An isolator 105 is positioned after the erbium-doped or praseodymium-doped fiber 103. This isolator 105 is intended to prevent backscatter power from downstream optical fibers and other components from re-entering the EDFA or PDFA. This undesirable backscatter power is otherwise amplified, thereby hindering the normal properties and performance of EDFA (or PDFA). Also shown in FIG. 1 is a pump laser monitoring port 107.

図2Aは、エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)の動作原理を示す。図は、シリカガラス中のEr3+イオンのE、E、Eと標識された3つのエネルギー準位を示す。エネルギー準位の各々は、例えば、”Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology”, Chapters 8 and 9, P.C. Becker, N. A. Olsson and J. R. Simpson, Academic Press,1999に記載されるように、Stark分割プロセスを通して、複数の準位又は帯域に分割される。エネルギー準位の任意の2つの間の差は、そのエネルギー準位の遷移に対応する光子の波長(又は波長範囲)でラベル付けされる。上向きの矢印は、エルビウムイオンを、指示されたより高いエネルギー準位に励起するために、EDFAがポンピングされ得る波長を示す。例えば、1480nmのポンプレーザを使用して、EレベルからEレベルまでエルビウムイオンを励起することができる。そのライフタイムは非常に長く、10msecのオーダーであり、EレベルとEレベルとの間の反転分布が誘導放出に適している。EからEまでの下向きの矢印は、自然放出及び誘導放出によって放出され、入力信号を増幅する光子の波長範囲を表す。E及びEエネルギー準位は、帯域に分割されるので、図2に1520〜1560nmとして示すように、ある範囲の波長を増幅することができる。 FIG. 2A shows the operating principle of an erbium-doped fiber amplifier (EDFA). The figure shows the three energy levels labeled Er 3+ ions in silica glass labeled E 0 , E 1 , E 2 . Each energy level is passed through a Stark splitting process, as described, for example, in “Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology”, Chapters 8 and 9, PC Becker, NA Olsson and JR Simpson, Academic Press, 1999. Are divided into a plurality of levels or bands. The difference between any two of the energy levels is labeled with the photon wavelength (or wavelength range) corresponding to that energy level transition. The upward arrow indicates the wavelength at which the EDFA can be pumped to excite erbium ions to the indicated higher energy level. For example, a 1480 nm pump laser can be used to excite erbium ions from the E 0 level to the E 1 level. Its lifetime is very long, on the order of 10 msec, and the inverted distribution between the E 0 level and the E 1 level is suitable for stimulated emission. The downward arrows from E 1 to E 0 represent the wavelength range of photons emitted by spontaneous and stimulated emission and amplifying the input signal. Since the E 1 and E 0 energy levels are divided into bands, a range of wavelengths can be amplified, as shown in FIG. 2 as 1520-1560 nm.

同様に、980nmのポンプレーザを用いて、エルビウムイオンをEレベルからEレベルに励起することができる。Eレベルに上昇したイオンは、非放射自然放出プロセスを介して、Eレベルに急速に遷移する。EレベルからEレベルへのこれらのイオンの遷移は、誘導放出を介して、1520〜1560nmの範囲の入力信号の増幅をもたらす。様々な理由から、980nmでのポンピングは、1480nmでのポンピングよりも効率的である。 Similarly, it is possible to use a pump laser 980 nm, excites erbium ions from E 0 level to E 2 levels. Ions that have risen to the E 2 level transition rapidly to the E 1 level via a non-radiative spontaneous emission process. The transition of these ions from the E 1 level to the E 0 level results in amplification of the input signal in the range of 1520-1560 nm via stimulated emission. For various reasons, pumping at 980 nm is more efficient than pumping at 1480 nm.

可視光を含む980nm未満の波長のポンプ源を使用することもできる。図2Bは、Er3+イオンのエネルギー準位のより完全な図を示している。波長スケールは、Er3+イオンが所与のエネルギー準位から基底状態に遷移するときに放出される光の波長に対応する。エネルギー準位図は、Er3+イオンが約1500nmから400nm未満までの光を吸収できることを示す。低波長ポンプ源(すなわち、980nm未満)は、エルビウムイオンを図2Aに示されるよりも高いエネルギー準位に励起するが、誘導放出を介して入力信号を増幅するための全体的なプロセスは同様である。また、異なる波長範囲の入力信号に対して、異なる希土類元素、又は、様々な金属を含む他の材料を、対応する異なるポンプ源要件と共に使用することができる。例えば、1310nmの波長範囲で入力信号を増幅するために、プラセオジムイオンは、適切な波長範囲にあるエネルギー準位遷移を有する。可視光の入力信号を増幅することも、ポンピング波長が入力光の波長より短く、かつ、適切なドーパントが使用される限り、物理的に実施可能である。広帯域増感剤は、ドーパント材料の活性化の助剤としても使用することができる。(広帯域増感剤の詳細は、例えば、”Broadband Sensitizers For Erbium-Doped Planar Optical Amplifiers: Review”, A. Polman and F. van Veggel, Journal of Optical Society of America B, Vol.21, Iss.5, May 2004に見ることができる。) Pump sources with wavelengths below 980 nm, including visible light, can also be used. FIG. 2B shows a more complete view of the energy levels of Er 3+ ions. The wavelength scale corresponds to the wavelength of light emitted when an Er 3+ ion transitions from a given energy level to the ground state. The energy level diagram shows that Er 3+ ions can absorb light from about 1500 nm to less than 400 nm. A low wavelength pump source (ie, less than 980 nm) excites erbium ions to a higher energy level than shown in FIG. 2A, but the overall process for amplifying the input signal via stimulated emission is similar. is there. Also, for different wavelength range input signals, different rare earth elements or other materials including various metals can be used with corresponding different pump source requirements. For example, to amplify an input signal in the 1310 nm wavelength range, praseodymium ions have energy level transitions in the appropriate wavelength range. Amplifying the visible light input signal can also be physically performed as long as the pumping wavelength is shorter than the wavelength of the input light and a suitable dopant is used. Broadband sensitizers can also be used as an aid in activating dopant materials. (For details on broadband sensitizers, see, for example, “Broadband Sensitizers For Erbium-Doped Planar Optical Amplifiers: Review”, A. Polman and F. van Veggel, Journal of Optical Society of America B, Vol. 21, Iss. 5, Can be seen in May 2004.)

携帯電話で行われているように、空間を節約し、ネットワーク制御センタの性能を向上させるために、より多くの構成要素が、同じ制限された体積を有する個々の光モジュールに組込まれている。別々の光ファイバ部品間のファイバスプライシングは、扱いにくく、空間を占有する。したがって、複数の光学部品を単一のパッケージに一体化することが非常に望ましい。図1に示すように、従来技術のEDFA及びPDFAは、典型的には別個のWDMカプラ及びアイソレータ構成要素を利用し、曲げ半径に制限のある長さのドープファイバ(典型的には10〜20メートルの長さ)をも組み込む。さらに、ポンプレーザ源は、外部部品であるか、又は、EDFAハウジングに一体化されなければならない。このようなことを検討することは、ドープされたファイバの使用に基いて典型的な従来技術の光増幅器によって達成し得るサイズ(及びコスト)の低減を制限することになる。半導体光増幅器(SOA)は、サイズの利点を提供することができるが、典型的にはより高いレベルの増幅された自然放出(ASE)ノイズ、及び、様々な非線形挙動により、性能が制限される。したがって、ドープされたファイバ(又はより一般的には、ドープされた導波路)光増幅器の複数の構成要素が、半導体光増幅器の性能制限なしに、可能な限り少ない構成部品又は要素に物理的に一体化されることが望ましい。   More components are incorporated into individual optical modules with the same limited volume to save space and improve the performance of the network control center, as is done with mobile phones. Fiber splicing between separate optical fiber components is cumbersome and occupies space. Therefore, it is highly desirable to integrate multiple optical components into a single package. As shown in FIG. 1, prior art EDFAs and PDFAs typically utilize separate WDM couplers and isolator components to provide a length of doped fiber (typically 10-20) with a limited bend radius. Incorporate the meter length). In addition, the pump laser source must be an external component or integrated into the EDFA housing. Considering this would limit the size (and cost) reduction that can be achieved with typical prior art optical amplifiers based on the use of doped fibers. Semiconductor optical amplifiers (SOA) can offer size advantages, but typically have limited performance due to higher levels of amplified spontaneous emission (ASE) noise and various non-linear behaviors . Thus, multiple components of a doped fiber (or more generally doped waveguide) optical amplifier can be physically combined into as few components or elements as possible without the performance limitations of a semiconductor optical amplifier. It is desirable to be integrated.

光増幅器は、基板と、基板上に形成され、光入力部から光出力部への光路を提供する光コアと、を備える。1つ以上の発光構造は、光コア内、及び/又は、光コアに隣接して、基板上に形成される。1つ以上のクラッド層は、光コア及び発光構造が配置される基板上に形成される。1つ以上のクラッド層は、光コアの屈折率よりも低い屈折率を有する。1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされる。電気接点は、発光構造に接続されている。発光構造は、印加された電圧差に応じて、1つ以上のドープされたクラッド層の少なくとも一部を照射する。ドーパント元素又はドーパント材料は、発光構造によって第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光で照射されたときに、第1の波長範囲内の光を発光する。   The optical amplifier includes a substrate and an optical core that is formed on the substrate and provides an optical path from the optical input unit to the optical output unit. One or more light emitting structures are formed on the substrate in and / or adjacent to the optical core. One or more cladding layers are formed on the substrate on which the optical core and the light emitting structure are disposed. The one or more cladding layers have a refractive index that is lower than the refractive index of the optical core. Doped with one or more dopant elements or dopant materials. The electrical contact is connected to the light emitting structure. The light emitting structure illuminates at least a portion of the one or more doped cladding layers in response to the applied voltage difference. The dopant element or the dopant material emits light in the first wavelength range when irradiated with light having a shorter wavelength than the wavelength in the first wavelength range by the light emitting structure.

他の実施例において、光増幅器は、基板と、基板上に形成され、光入力部から光出力部への光路を提供する光コアと、を備える。1つ以上の発光構造は、光コア内及び/又は光コアに隣接して基板上に形成されている。光コア及び発光構造に沿ったクラッドは、光コアの屈折率よりも低い屈折率を有する。クラッドには、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料がドープされる。電気接点は、発光構造に接続されている。発光構造は、印加された電圧差に応じて、1つ以上のドープされたクラッド層の少なくとも一部を照射する。ドーパント元素又はドーパント材料は、発光構造によって第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光で照射されたときに、第1の波長範囲内の光を発光する。   In another embodiment, the optical amplifier includes a substrate and an optical core formed on the substrate and providing an optical path from the optical input unit to the optical output unit. One or more light emitting structures are formed on the substrate in and / or adjacent to the optical core. The cladding along the optical core and the light emitting structure has a refractive index lower than that of the optical core. The cladding is doped with one or more dopant elements or dopant materials. The electrical contact is connected to the light emitting structure. The light emitting structure illuminates at least a portion of the one or more doped cladding layers in response to the applied voltage difference. The dopant element or the dopant material emits light in the first wavelength range when irradiated with light having a shorter wavelength than the wavelength in the first wavelength range by the light emitting structure.

光増幅器を形成する方法は、第1の基板上に発光エピタキシャル層を成長させるステップと、パターン化された光コアと、光コア内及び/又は光コアに隣接する発光構造と、を発光エピタキシャル層から形成するステップと、を備える。1つ以上のクラッド層は、パターン化された光コア上に1つ以上のクラッド層を堆積される。1つ以上のクラッド層は、光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、1つ以上のクラッド層は、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされる。ドーパント元素又はドーパント材料は、第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光によって照射されると、第1の波長範囲内の光を発光する。1つ以上のクラッド層上に、発光構造と接触する第1セットの電気接続部が作製される。第1セットの電気接続部の上に第2の基板を形成される。第1の基板上に形成されたパターン化された光コアから第1の基板が除去される。第1の基板を除去することによって露出された表面上に、発光構造と接触する第2の組の電気接続部が作製される。   A method of forming an optical amplifier includes the steps of growing a light emitting epitaxial layer on a first substrate, a patterned optical core, and a light emitting structure in and / or adjacent to the optical core. And a step of forming. One or more cladding layers are deposited on the patterned optical core. The one or more cladding layers have a refractive index lower than that of the optical core, and the one or more cladding layers are doped with one or more dopant elements or dopant materials. When the dopant element or the dopant material is irradiated with light having a wavelength shorter than the wavelength in the first wavelength range, the dopant element or the dopant material emits light in the first wavelength range. A first set of electrical connections in contact with the light emitting structure is fabricated on one or more cladding layers. A second substrate is formed on the first set of electrical connections. The first substrate is removed from the patterned optical core formed on the first substrate. A second set of electrical connections in contact with the light emitting structure is created on the surface exposed by removing the first substrate.

さらなる光増幅器を形成する方法は、基板の第1の表面上に発光エピタキシャル層を成長させるステップと、パターン化された光コアと、光コア内及び/又は光コアに隣接する発光構造と、を発光エピタキシャル層から形成するステップと、を備える。クラッドは、光コア及び発光構造に沿って堆積される。クラッドは、光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされる。ドーパント元素又はドーパント材料は、第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光によって照射されると、第1の波長範囲内の光を発光する。発光構造上に、発光構造と接触する第1セットの電気接続部が作製される。基板の第2の表面上に又は第2の表面を貫通させて、発光構造と電気的に接触する第2セットの電気接続部が作製される。   A method of forming a further optical amplifier includes growing a light emitting epitaxial layer on a first surface of a substrate, a patterned optical core, and a light emitting structure in and / or adjacent to the optical core. Forming from the light emitting epitaxial layer. The cladding is deposited along the optical core and the light emitting structure. The cladding has a refractive index lower than that of the optical core and is doped with one or more dopant elements or dopant materials. When the dopant element or the dopant material is irradiated with light having a wavelength shorter than the wavelength in the first wavelength range, the dopant element or the dopant material emits light in the first wavelength range. A first set of electrical connections in contact with the light emitting structure is fabricated on the light emitting structure. A second set of electrical connections is made on the second surface of the substrate or through the second surface and in electrical contact with the light emitting structure.

様々な態様、利点、特徴、及び、実施形態は、その例示的な実施例の以下の説明に含まれ、その説明は、添付の図面と併せて解釈されるべきである。本明細書で参照されるすべての特許、特許出願、論文、他の刊行物、文書、及び物品は、すべての目的のために、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。また、組み込まれた刊行物、文書又は物のいずれかと本出願との間の用語の定義又は使用における矛盾又は矛盾の範囲内で、本出願のものを優先するものとする。   Various aspects, advantages, features, and embodiments are included in the following description of exemplary examples, which should be construed in conjunction with the accompanying drawings. All patents, patent applications, papers, other publications, documents, and articles referenced herein are hereby incorporated by reference in their entirety for all purposes. In addition, the subject matter of this application shall prevail within the scope of any inconsistencies or inconsistencies in the definition or use of terms between any of the incorporated publications, documents or materials and this application.

光信号を増幅するために使用されるエルビウムドープ(又はプラセオジムドープ)ファイバ増幅器(それぞれEDFA又はPDFA)を示す。Figure 2 shows an erbium doped (or praseodymium doped) fiber amplifier (EDFA or PDFA, respectively) used to amplify an optical signal. エルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)の動作原理を示す。The operating principle of an erbium doped fiber amplifier (EDFA) is shown. Er3+イオンのエネルギー準位のより完全な図を示す。A more complete view of the energy levels of Er 3+ ions is shown. 一実施形態の導波路レイアウト及びルーティングを示す。Fig. 4 illustrates a waveguide layout and routing of one embodiment. 図3Aに示されるような実施形態の例示的な製造プロセスを示す。3B illustrates an exemplary manufacturing process of an embodiment as shown in FIG. 3A. 図3Aに示される実施形態の断面図を示す。3B shows a cross-sectional view of the embodiment shown in FIG. 3A. 図3Aに示される実施形態の一部の拡大図を示す。3B shows an enlarged view of a portion of the embodiment shown in FIG. 3A. 典型的なLEDエピタキシャル構造を示す。A typical LED epitaxial structure is shown. 図6Aに示すLEDエピタキシャル構造のエネルギーバンドを示す。FIG. 6B shows the energy band of the LED epitaxial structure shown in FIG. 6A. 導波路を取り囲んで散在する発光領域を有する別の実施形態を示す。Fig. 4 illustrates another embodiment having light emitting regions scattered around a waveguide. 図7に示す実施形態の断面図を示す。8 shows a cross-sectional view of the embodiment shown in FIG. 導波路コア内にLEDエピタキシャル構造を組み込んだ、図11Aにも示されている、追加の実施形態の断面図を示している。FIG. 11B shows a cross-sectional view of an additional embodiment, also shown in FIG. 11A, that incorporates an LED epitaxial structure in the waveguide core. 図9に示される実施形態の一部分の拡大図を示す。FIG. 10 shows an enlarged view of a portion of the embodiment shown in FIG. 9. 図9に示される実施形態の上面図を示し、導波路レイアウト及びルーティング、並びに波長板の包含を描写する。FIG. 10 illustrates a top view of the embodiment shown in FIG. 9, depicting waveguide layout and routing, and waveplate inclusion. 図11Aに示されるような実施形態の例示的な製造プロセスを示す。11B illustrates an exemplary manufacturing process for an embodiment as shown in FIG. 11A. 隣接する導波路からの、及び隣接する導波路への光の結合を含む、図11Aに示されるものと同様の実施形態において使用され得るような、波長板の詳細図を示す。FIG. 11B shows a detailed view of a waveplate, such as may be used in an embodiment similar to that shown in FIG. 11A, including coupling of light from and to adjacent waveguides. 共通のクラッドによって囲まれたオフセット2コア構造を利用する偏光回転子の使用を示す。Fig. 4 illustrates the use of a polarization rotator that utilizes an offset two-core structure surrounded by a common cladding. 偏光依存損失を低減するために、入力ポートで偏光回転子を利用する別の実施形態を示す。FIG. 6 illustrates another embodiment that utilizes a polarization rotator at the input port to reduce polarization dependent loss. FIG. は、図13に示す実施形態で使用されるような偏光回転子の斜視図である。FIG. 14 is a perspective view of a polarization rotator as used in the embodiment shown in FIG.

以下に説明する技術はドープされたファイバ(又はより一般的にはドープされた導波路)光増幅器の複数の構成要素を、単一の光増幅器チップとして物理的に一体化するが、半導体光増幅器の性能制限はない。   Although the techniques described below physically integrate multiple components of a doped fiber (or more generally doped waveguide) optical amplifier as a single optical amplifier chip, a semiconductor optical amplifier There are no performance limitations.

図3Aは、ポンプ光を放出し、入力信号のための導波路コアとしても働く活性コア305を有する第1セットの例示的な実施形態を示す。活性コアは、希土類元素又は別の適切なドーパント材料でドープされたクラッド内に埋め込まれている。入力信号は、入力光ファイバ301によって伝送され、活性コア305及びその周囲のクラッド306によって形成される平面導波路の端縁303に結合される。活性コア305は、InGaAsP、InGaAs、又は、InGaN化合物半導体材料(以下に説明する)などの材料に基づく発光ダイオード(LED)エピタキシャル構造などの発光構造を有し、その屈折率(約2.1〜3.8)は、一般に、クラッド306の屈折率よりも高い。(以下の記載では、簡略化のためLEDの実施形態について言及するが、より一般的には、これは、概して発光構造として解釈され得る。)クラッド306は、エルビウム、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、ネオジム、又は、それらの組合せなどの希土類元素でドープされる。また、ドーパント材料は、金属、又は、適切な波長又は波長範囲で光を発することができる他の何らかの材料であってもよい。活性コア305内の全てのエピタキシャル層の合計厚さ(図4においてTで示される)は、数ミクロンである。エルビウムは、他の希土類元素又は他のドーパント材料に対する一般性及び適用性を失うことなく、以下の説明においてドープされた希土類元素の例として用いられる。より一般的には、クラッドのドーパント元素又は材料は、LED又は他の発光構造によって第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光で照射されたときに、第1の波長範囲内の光を放出するように選択される。ここで、多くの一般的な用途では、第1の波長範囲が400nm〜3000nmの範囲である。エルビウムは、代表的なドーパント材料として以下の議論の多くで使用されるが、他の希土類元素及び他の金属を含み、これらに限定されない、他のドーパント材料も、本発明の範囲内である。   FIG. 3A shows a first set of exemplary embodiments having an active core 305 that emits pump light and also serves as a waveguide core for the input signal. The active core is embedded in a cladding doped with a rare earth element or another suitable dopant material. The input signal is transmitted by the input optical fiber 301 and coupled to the edge 303 of the planar waveguide formed by the active core 305 and the surrounding cladding 306. The active core 305 has a light emitting structure such as a light emitting diode (LED) epitaxial structure based on a material such as InGaAsP, InGaAs, or InGaN compound semiconductor material (described below), and its refractive index (approximately 2.1 to 3.8) is generally higher than the refractive index of the cladding 306. (In the following description, reference will be made to LED embodiments for the sake of simplicity, but more generally this can generally be interpreted as a light emitting structure.) Clad 306 is erbium, praseodymium, thulium, ytterbium, neodymium. Or doped with rare earth elements such as combinations thereof. The dopant material may also be a metal or some other material that can emit light at an appropriate wavelength or wavelength range. The total thickness (indicated by T in FIG. 4) of all epitaxial layers within the active core 305 is a few microns. Erbium is used as an example of a doped rare earth element in the following description without losing generality and applicability to other rare earth elements or other dopant materials. More generally, the dopant element or material of the cladding emits light in the first wavelength range when illuminated with light of a wavelength shorter than the wavelength of the first wavelength range by an LED or other light emitting structure. Selected to release. Here, in many general applications, the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm. Erbium is used in much of the discussion below as a representative dopant material, but other dopant materials, including but not limited to other rare earth elements and other metals, are also within the scope of the present invention.

図3Aの例に示されるように、活性コア305は、平面チップ300内で、矢印311a〜311fによって示されるように、かなりの数の巻きを介して、時計回り方向にループ状になる。次に、活性コア305は、312aで反転する。次に、出力光ファイバ328に結合されたチップ縁317の端点に到達するまで、矢印312bから312dで示すように、一連の反時計回りのループを通って進行する。活性コアの全有効長は、数十センチメートル、さらには10メートルとすることができる。活性コア305の屈折率(RI)は、クラッド306の屈折率(典型的には、約1.45〜約2.01の範囲のクラッド屈折率)よりも高い(有意に高いか、又はわずかに高いかのいずれか)ので、光パワーは、活性コア305内に閉じ込められる。活性コア305は、1300〜1600nmの動作波長に対して、1ミクロン、又は、サブミクロンのオーダーの断面寸法を有する。そのループの光路に沿った活性コア305の寸法は、有効な光パワー閉じ込めの要求及び要件に基づいて変更することができる。例えば、312aのような鋭いターンでは、より強力なパワーの閉じ込めが必要とされる。このため、コア寸法は、そこでわずかに大きくなければならない。311a〜311dによって示されるように、真っ直ぐな部分では活性コア305からクラッド306内に、(後述する)そこに埋め込まれたエルビウムイオンの誘導放出を誘起するために、より多くの光パワーが拡散されることが望ましい。したがって、活性コア401〜407の幅(図4でWによって示される)は、サブミクロンまでより小さくすべきである。   As shown in the example of FIG. 3A, the active core 305 loops clockwise in the planar chip 300 via a significant number of turns, as indicated by arrows 311a-311f. Next, the active core 305 is inverted at 312a. It then proceeds through a series of counterclockwise loops as indicated by arrows 312b to 312d until it reaches the end of tip edge 317 coupled to output optical fiber 328. The total effective length of the active core can be tens of centimeters, or even 10 meters. The refractive index (RI) of the active core 305 is higher (significantly higher or slightly higher) than the refractive index of the cladding 306 (typically a cladding refractive index in the range of about 1.45 to about 2.01). The optical power is confined within the active core 305 because it is either high). The active core 305 has a cross-sectional dimension on the order of 1 micron or submicron for an operating wavelength of 1300-1600 nm. The dimensions of the active core 305 along the optical path of the loop can be varied based on effective optical power confinement requirements and requirements. For example, sharp turns such as 312a require more powerful power confinement. For this reason, the core dimensions must be slightly larger there. As indicated by 311a-311d, more light power is diffused in the straight portion to induce stimulated emission of erbium ions embedded therein (described below) from the active core 305 into the cladding 306. It is desirable. Accordingly, the width of the active cores 401-407 (indicated by W in FIG. 4) should be smaller to sub-microns.

図4は、図3Aの「切断線」A−Aの断面図を示す。図3Aの活性コア(305)ループは、図4において、断面401〜407として示される。図3Aの周囲のクラッド306は、図4において、421、422によって示される。(製造方法の説明で後述するように)活性コア及びクラッドから構成される1つ又は複数の薄層は、基板410に接合される。正の「点接触」電極は、441、442によって例示されるように、活性LEDコアループ305のp側上に分散して堆積され、活性LEDコアループ305に正の電圧を供給するための正の端子電極445に相互接続される。同様に、負の「点接触」電極は、451、452によって例示されるように、活性LEDコアループ305のn側上に分散して堆積され、負の端子電極455に相互接続されて、活性LEDコアループ305に負の電圧を供給する。   FIG. 4 shows a cross-sectional view of “cut line” AA in FIG. 3A. The active core (305) loop of FIG. 3A is shown as cross sections 401-407 in FIG. The surrounding cladding 306 of FIG. 3A is indicated by 421, 422 in FIG. One or more thin layers comprised of the active core and cladding (as described below in the description of the manufacturing method) are bonded to the substrate 410. Positive “point contact” electrodes are distributed and deposited on the p-side of the active LED core loop 305, as illustrated by 441, 442, and positive terminals for supplying a positive voltage to the active LED core loop 305. Interconnected with electrode 445. Similarly, negative “point contact” electrodes are distributed and deposited on the n-side of active LED core loop 305 and interconnected to negative terminal electrode 455, as illustrated by 451, 452, and active LED A negative voltage is supplied to the core loop 305.

活性コア401〜407の断面は、上部クラッド421及び下部クラッド422によって取り囲まれている。上部クラッド421及び下部クラッド422は、SiO(約1.45のRI)、広帯域増感剤としてSiナノ結晶を有するシリコンリッチSiO、SiO(約1.45〜約2.01の範囲のRI)、又は、エルビウムイオン(又は他の希土類イオン)でドープされたポリマーなどのホスト材料(好ましくはアモルファス状態又はナノクラスタ状態)から構成される。したがって、クラッド材料の屈折率(RI)は、約1.45〜約2.01の範囲とすることができる。活性コア401〜407は、約980nm又は1480nmの波長、又は、シリカ(又はSiOxNy)ホスト材料に埋め込まれたEr3+イオン(又は他のドーパント材料)を励起する可視光及び紫外(UV)範囲の別の波長で、ポンプ光を放出する。Er3+イオン(又は他のドーパント材料)を所望のエネルギー準位にポンプすることができる限り、可視波長並びに近赤外及びUV波長も実施可能である。ポンピング波長が信号波長よりもはるかに短い場合、広帯域増感剤は、光学活性ドーパントからの光の放出を増強するために、クラッド内の光学活性ドーパント材料に埋め込まれる(又は共存する)ことが必要とされ得る。(例えば、”Broadband Sensitizers For Erbium-Doped Planar Optical Amplifiers: Review”, A. Polman and F. van Veggel, Journal of Optical Society of America B, Vol. 21, Iss. 5, May 2004を参照)。異なる入力信号波長の増幅のために他の希土類元素又は他のドーパントが使用される場合には、ポンプ光波長は、使用されるドーパントの種類及び意図された入力信号波長範囲と適合性がなければならない。さらに、可視光の入力信号を増幅することも、ポンピング波長が入力光のそれよりも著しく短く、適切なドーパント及び増感剤がクラッドに使用される限り、物理的に実施可能である。 The cross sections of the active cores 401 to 407 are surrounded by the upper clad 421 and the lower clad 422. The upper cladding 421 and the lower cladding 422 are made of SiO 2 (RI of about 1.45), silicon-rich SiO x , SiO x N y (about 1.45 to about 2.01) having Si nanocrystals as a broadband sensitizer. Range RI), or composed of a host material (preferably in an amorphous or nanocluster state) such as a polymer doped with erbium ions (or other rare earth ions). Accordingly, the refractive index (RI) of the cladding material can be in the range of about 1.45 to about 2.01. The active cores 401-407 have wavelengths of about 980 nm or 1480 nm, or in the visible and ultraviolet (UV) range, which excites Er 3+ ions (or other dopant materials) embedded in a silica (or SiOxNy) host material. The pump light is emitted at a wavelength of. Visible wavelengths and near infrared and UV wavelengths are also feasible as long as Er 3+ ions (or other dopant materials) can be pumped to the desired energy level. If the pumping wavelength is much shorter than the signal wavelength, the broadband sensitizer must be embedded (or coexist) in the optically active dopant material in the cladding to enhance the emission of light from the optically active dopant. Can be. (See, for example, “Broadband Sensitizers For Erbium-Doped Planar Optical Amplifiers: Review”, A. Polman and F. van Veggel, Journal of Optical Society of America B, Vol. 21, Iss. 5, May 2004). If other rare earth elements or other dopants are used for amplification of different input signal wavelengths, the pump light wavelength must be compatible with the type of dopant used and the intended input signal wavelength range. Don't be. Furthermore, amplifying the visible light input signal can also be physically performed as long as the pumping wavelength is significantly shorter than that of the input light and appropriate dopants and sensitizers are used in the cladding.

活性コアは、InGaAs(約3.4のRI)、InGaAsP(約3.6のRI)、InGaN及びAlInGaN(約2.1のRI)、又は効率的な発光のための直接バンドギャップを有する他の半導体材料を含むIII−V化合物半導体などの直接バンドギャップ半導体材料から構成することができる。したがって、クラッド材料のRIは、一般に、約1.45〜約2.01の範囲とすることができる。また、活性コアのRIは、一般に、約2.1〜約3.8の範囲とすることができる。活性コア材料及びクラッド材料を適切に選択することによって、(強い閉じ込めを有する)高屈折率コントラスト導波路及び(弱い閉じ込めを有する)低屈折率コントラスト導波路の両方を構築することができる。   The active core can be InGaAs (about 3.4 RI), InGaAsP (about 3.6 RI), InGaN and AlInGaN (about 2.1 RI), or others with a direct bandgap for efficient light emission It can be composed of a direct band gap semiconductor material such as a III-V compound semiconductor containing the above semiconductor material. Accordingly, the RI of the cladding material can generally be in the range of about 1.45 to about 2.01. Also, the RI of the active core can generally range from about 2.1 to about 3.8. By appropriate selection of the active core material and cladding material, both high index contrast waveguides (with strong confinement) and low index contrast waveguides (with weak confinement) can be constructed.

図3Aの活性コアループ305に沿って伝播する入力信号光は、基本モードを形成し、そのエバネッセント場は、クラッド内の励起Er3+イオンの誘導放出を誘起するために、クラッド306内に侵する。このため、誘導放出光子が活性コアループ305内に結合して戻され、基本モードを増幅する。信号光の光子エネルギーは、LEDの量子井戸(QW)材料、又は、ヘテロ接合LED構造における活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さいので、活性コア305における信号光の吸収損失は無視できる。さらに、誘電体クラッドは、ポンプ光と同様に入力信号光の吸収が非常に少ないので、クラッドによって引き起こされる光損失は非常に低い。 The input signal light propagating along the active core loop 305 of FIG. 3A forms a fundamental mode, and its evanescent field penetrates into the cladding 306 to induce stimulated emission of excited Er 3+ ions in the cladding. Thus, stimulated emission photons are coupled back into the active core loop 305 and amplify the fundamental mode. Since the photon energy of the signal light is smaller than the band gap energy of the active layer in the LED quantum well (QW) material or the heterojunction LED structure, the absorption loss of the signal light in the active core 305 is negligible. Furthermore, since the dielectric cladding absorbs very little input signal light like the pump light, the optical loss caused by the cladding is very low.

図5は、図3Aの挿入図340の拡大図である。負電極501は、活性コア部分511〜515の上部に分散され、導電性トレース504によって電気的に相互接続される。クラッド部530〜535は、コア部511〜515によって形成されるコアアレイに交互配置される。なお、活性コア部512に示される上矢印と、活性コア部513に示される下矢印と、は信号光の伝播方向を例示している。活性コア部512内を伝播する基本モードの電界分布521は、その光パワーの大部分がコア内に閉じ込められているが、そのエバネッセント電界523がクラッド532内に侵入して、励起されたEr3+イオンの誘導放出を誘起し、これによりその電界強度を高める。活性コア部513内を下方向(矢印518参照)に伝播する信号光も、同様となる。クラッド材料の屈折率は、活性コアの屈折率よりも低いので、クラッド内のエルビウムイオンからの増幅自然放出(ASE)ノイズの基本モードへの結合は非常に制限される。 FIG. 5 is an enlarged view of inset 340 of FIG. 3A. The negative electrode 501 is distributed on top of the active core portions 511-515 and is electrically interconnected by conductive traces 504. The clad parts 530 to 535 are alternately arranged in the core array formed by the core parts 511 to 515. In addition, the up arrow shown by the active core part 512 and the down arrow shown by the active core part 513 have illustrated the propagation direction of signal light. In the fundamental mode electric field distribution 521 propagating in the active core portion 512, most of the optical power is confined in the core, but the evanescent electric field 523 penetrates into the clad 532, and excited Er 3+ Stimulated emission of ions is induced, thereby increasing the electric field strength. The same applies to the signal light propagating downward in the active core portion 513 (see arrow 518). Since the refractive index of the cladding material is lower than that of the active core, the coupling of amplified spontaneous emission (ASE) noise from erbium ions in the cladding to the fundamental mode is very limited.

図6A、図6Bは、典型的なLEDエピタキシャル構造及びそれに対応するエネルギーバンドの一例を示す。(これらの図では、位置軸が図3B又は図4において下向きに対応し、図6Aの上向き軸が横向きに対応する)。図6Aにおいて、InGaPのような組成を有するエッチングストップ層602は、初期に、ウエハ基板601の上部に、有機金属気相成長法(MOCVD)又は分子ビームエピタキシ(MBE)を用いて成長される。次に、N型化合物半導体層605を成長させ、続いて量子井戸(QW)又は多重QW層607を成長させる。最後に、QW層607の上にP型層609が追加される。所望の発光波長に応じて、化合物材料の組成が選択される。980nm付近の発光については、(InGa1-x0.5As0.5の組成を有するQW化合物材料が選択され、1480nmの発光については、組成(InGa1-x0.5(As1-y0.5の化合物が選択される。より低い波長のポンプ光については、AlInGaPを630nmの発光に使用することができ、InGaNを420nm〜480nmの範囲の発光に使用することができ、AlInGaNを370nm〜420nmの範囲の発光に使用することができる。(より詳しくは、例えば、“Chapter 1 of Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits”, L. Coldren, S. Corzine, and M. Mashanovitch, 2nd Edition, Wiley Publishing, 2012, and Chapter 4 of Introduction to Solid-State Lighting, A. Zukauskas, M. Shur, and R. Gaska, Wiley Publishing, 2002を参照。)図6Bは、図6Aに示されるエピタキシャル構造に対応するエネルギーバンドギャップを示す。多重QW LEDは、65%〜95%の可視光範囲で高い量子効率の発光を有する。 6A and 6B show an example of a typical LED epitaxial structure and a corresponding energy band. (In these figures, the position axis corresponds to the downward direction in FIG. 3B or FIG. 4, and the upward axis in FIG. 6A corresponds to the horizontal direction). In FIG. 6A, an etching stop layer 602 having a composition such as InGaP is initially grown on top of a wafer substrate 601 using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). Next, an N-type compound semiconductor layer 605 is grown, and then a quantum well (QW) or multiple QW layer 607 is grown. Finally, a P-type layer 609 is added on the QW layer 607. Depending on the desired emission wavelength, the composition of the compound material is selected. For light emission near 980 nm, a QW compound material having a composition of (In x Ga 1-x ) 0.5 As 0.5 is selected, and for light emission at 1480 nm, the composition (In x Ga 1-x ) 0. 5 (As y P 1-y ) 0.5 compounds are selected. For lower wavelength pump light, AlInGaP can be used for 630 nm emission, InGaN can be used for emission in the range of 420 nm to 480 nm, and AlInGaN for emission in the range of 370 nm to 420 nm. Can do. (For more details, see, for example, “Chapter 1 of Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits”, L. Coldren, S. Corzine, and M. Mashanovitch, 2nd Edition, Wiley Publishing, 2012, and Chapter 4 of Introduction to Solid-State Lighting. , A. Zukauskas, M. Shur, and R. Gaska, Wiley Publishing, 2002.) FIG. 6B shows the energy band gap corresponding to the epitaxial structure shown in FIG. 6A. Multiple QW LEDs have high quantum efficiency emission in the visible light range of 65% -95%.

図3A、図4、図5に示すような実施形態の材料構造を製造するための製造プロセスの例示的な手順を図3Bに示す。
1.次のエピタキシャル層に類似した格子定数を持つGaAs等の半導体ウエハを選択する。
2.有機金属気相成長法(MOCVD)又は分子線エピタキシ(MBE)のいずれかによって、InGaPなどの組成を有するエッチングストップ層をウエハ上に成長させる。
3.次いで、連続的なMOCVD又はMBEプロセスによって、LEDエピタキシャル構造(全体の厚さが約1〜4ミクロン)を成長させる。典型的なLED構造の一例を図6Aに示す。
4.図3A、図4、図5に示すように、フォトリソグラフィを使用し、次いで、化学気相エッチング又はウェットエッチングを使用して、螺旋状の活性コアループ305を形成する。
5.化学蒸着又は物理的スパッタリングのいずれかを利用して、図4に1つ又は複数の下部クラッド層422として示されるエルビウムドープのSiO層(約10ミクロンの厚さを有する)を、パターン化された活性コアループの上に堆積する。
6.リソグラフィ、エッチング、及び、金属堆積の手順を使用して、活性コアループのp側に接触するように下部クラッドを通って延在する正電極を作製する。金属トレースは、全ての正電極を相互接続するために使用される。これらの金属トレースは光パワーを散逸させ得るので、それらの幅は最小化されるべきである。
7.クラッド及び活性コア(半導体ウエハが好ましい)の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する新しい基板を、エポキシ又は冶金学的に下部クラッドに結合する。新しい基板は、導電性又は非導電性材料であってもよい。
8.ステップ2に示すエッチングストップ層でエッチングが停止するまで、ウェット化学エッチングを使用して、元のウエハ(この例では、上記のステップ1で説明したGaAs)を除去する。
9.ステップ5と同じプロセスを用いて、(図4に示されるように)上部又は上部のエルビウムドープされた1つ又は複数のクラッド層421を堆積する。
10.ステップ6と同じプロセスを用いて、n側LED活性コアのための負電極及びそれらの電気的相互接続を作成する。
11.完成したウエハを、約10mm×10mmの寸法を有する個々の光増幅器チップにダイシングする。
図3Bの処理手順及び列挙された詳細は、例示的なプロセスとして意図されており、可能な変形を包括しているわけではない。図3B(以下の図11B)では、説明のために、「ステップ」として言及されているが、実際の処理ではこれらの列挙されたプロセスフェーズのいずれもが、複数のサブステップを含み得るか、又は逆に、いくつかの「ステップ」が単一の処理動作で組み合わされてもよく、その結果、「ステップ」はプロセスが実際にどのように実行されるかを限定しているわけではない。
An exemplary procedure for a manufacturing process for manufacturing the material structure of the embodiment as shown in FIGS. 3A, 4 and 5 is shown in FIG. 3B.
1. A semiconductor wafer such as GaAs having a lattice constant similar to that of the next epitaxial layer is selected.
2. An etching stop layer having a composition such as InGaP is grown on the wafer by either metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).
3. The LED epitaxial structure (total thickness about 1 to 4 microns) is then grown by a continuous MOCVD or MBE process. An example of a typical LED structure is shown in FIG. 6A.
4). As shown in FIGS. 3A, 4 and 5, photolithography is used, followed by chemical vapor etching or wet etching to form the spiral active core loop 305.
5. Using either chemical vapor deposition or physical sputtering, an erbium-doped SiO 2 layer (having a thickness of about 10 microns), shown as one or more lower cladding layers 422 in FIG. 4, is patterned. Deposited on the active core loop.
6). Lithography, etching, and metal deposition procedures are used to create a positive electrode that extends through the lower cladding to contact the p-side of the active core loop. Metal traces are used to interconnect all positive electrodes. Since these metal traces can dissipate optical power, their width should be minimized.
7). A new substrate having a coefficient of thermal expansion close to that of the cladding and active core (preferably a semiconductor wafer) is bonded to the lower cladding, either epoxy or metallurgically. The new substrate may be a conductive or non-conductive material.
8). The original wafer (in this example, GaAs described in Step 1 above) is removed using wet chemical etching until etching stops at the etch stop layer shown in Step 2.
9. Deposit the top or top erbium doped cladding layer (s) 421 using the same process as step 5 (as shown in FIG. 4).
10. Using the same process as in Step 6, create the negative electrodes for the n-side LED active core and their electrical interconnections.
11. The completed wafer is diced into individual optical amplifier chips having dimensions of about 10 mm × 10 mm.
The procedure and enumerated details of FIG. 3B are intended as an exemplary process and are not exhaustive of possible variations. In FIG. 3B (FIG. 11B below), for the sake of illustration, it is referred to as a “step”, but in actual processing, can any of these listed process phases include multiple sub-steps? Or conversely, several “steps” may be combined in a single processing operation, so that “steps” do not limit how the process is actually performed.

実際には、正及び負の「点接触」電極を、クラッド層306(図3Aに示され、また、図4、図5により詳細に示される)を介して狭い活性コアループ305に適切に接着するように作製することは実施可能であるが、いくつかのプロセスフローでは困難となり得る。図7は、「点接触」電極を回避する別の一組の実施形態を示し、その放出領域及び導波路コアは、ウエハから作製された同じLEDエピタキシャル構造から画定又は作成される。第1に、コアループ705及びポンプ光放出領域(例えば、斜線領域711、712、713)は、平面LEDエピタキシャル構造から作製される。(図8の参照番号814、816によって示されるように、ハッチングされていない領域は、ここではクラッドによって覆われている)。電極パッド721〜728は、それぞれ、電気ワイヤボンディングのために、ポンプ放出領域711、712、713の上に作製される。相互接続金属部、すなわちトレース(図では751として示されている)は、ポンプ放出領域711上に拡散する有効な電流を確実にすることを意図している。次に、エルビウムがドープされたクラッドが、ポンプ放出領域711、712、713を除いて、コアループ705を取り囲むように堆積される。放出領域は、ポンプ光の良好な結合のために、クラッド領域に近接している限り、コアループ内に挿入されてもよく、又は任意に配置されてもよい(例えば、放出領域715、716)。ポンプ放出光子は、コア705内のLED構造のバンドギャップエネルギー以下のエネルギーを有するので、コアによる吸収は制限される。したがって、ポンプ光子は、放出領域からより遠くに位置するクラッド領域に到達する前に、コアを数回横切ることができる。いくつかの光子がコア705によって吸収される場合、それらは「リサイクル」される可能性が高く、コアから再放出される。ポンプ放出領域からのポンプ光の抽出を最大にするために、放出領域とクラッド領域との間の界面は、項目770、771、772によって図示されるように、成形又はテクスチャ加工されてもよく、又は、項目770、771、772によって図示される構造が与えられてもよい。   In practice, positive and negative “point contact” electrodes are properly bonded to the narrow active core loop 305 via the cladding layer 306 (shown in FIG. 3A and also shown in more detail in FIGS. 4 and 5). Can be implemented, but can be difficult in some process flows. FIG. 7 shows another set of embodiments that avoid “point contact” electrodes, whose emission region and waveguide core are defined or made from the same LED epitaxial structure made from the wafer. First, the core loop 705 and the pump light emission region (eg, shaded regions 711, 712, 713) are made from a planar LED epitaxial structure. (As indicated by reference numbers 814, 816 in FIG. 8, the unhatched areas are covered here by cladding). Electrode pads 721-728 are made on pump discharge regions 711, 712, 713, respectively, for electrical wire bonding. The interconnect metal, or trace (shown as 751 in the figure) is intended to ensure an effective current spreading over the pump discharge region 711. Next, a cladding doped with erbium is deposited to surround the core loop 705 except for the pump emission regions 711, 712, 713. The emission region may be inserted into the core loop or arbitrarily positioned (eg, emission regions 715, 716) as long as it is close to the cladding region for good coupling of the pump light. Since the pumped photons have energy below the band gap energy of the LED structure in the core 705, the absorption by the core is limited. Thus, the pump photons can traverse the core several times before reaching the cladding region that is located further from the emission region. If some photons are absorbed by the core 705, they are likely to be “recycled” and re-emitted from the core. In order to maximize the extraction of pump light from the pump emission region, the interface between the emission region and the cladding region may be shaped or textured as illustrated by items 770, 771, 772, Alternatively, the structure illustrated by items 770, 771, 772 may be provided.

図8は、切断線B-Bで切り取った図7の断面図である。項目831、833は、複数のコア断面を示し、項目814、816は、コア部831、833の上に位置する、それらに対応する上側エルビウムドープクラッドである。ポンプ放出領域は、811、812、813で示され、対応する上面電極パッドは、それぞれ、826、827、823で示されている。それらの下側電極パッドは、それぞれ、836、837、838で示されている。下部クラッド層840は、基板810に結合される。放出領域811から放出されたポンプ光は、まず846で示す位置でクラッド層に入射し、内部のエルビウムイオンを励起する。次いで、吸収されなかった光子は、次のコア836を貫通して、クラッド層847などの次の部位に到達する。他の2つの放出領域812、813からのポンプ放出は、同様に挙動する。ポンプ光が増幅器チップ800から漏れるのを防止するために、ミラー又は反射コーティング851、853が、それぞれ、放出領域811、813の外縁に適用されてもよい。   8 is a cross-sectional view of FIG. 7 taken along section line BB. Items 831 and 833 show a plurality of core cross sections, and items 814 and 816 are upper erbium-doped clads corresponding to the core portions 831 and 833, which are located above the core portions 831 and 833. The pump discharge areas are indicated by 811, 812, 813 and the corresponding top electrode pads are indicated by 826, 827, 823, respectively. These lower electrode pads are indicated by 836, 837 and 838, respectively. Lower cladding layer 840 is coupled to substrate 810. The pump light emitted from the emission region 811 first enters the cladding layer at a position indicated by 846 to excite erbium ions inside. Next, the unabsorbed photon passes through the next core 836 and reaches the next site such as the cladding layer 847. Pump discharge from the other two discharge regions 812, 813 behaves similarly. To prevent pump light from leaking from the amplifier chip 800, mirrors or reflective coatings 851, 853 may be applied to the outer edges of the emission regions 811, 813, respectively.

図7、図8に示す実施形態の製造プロセスは、図3A、図4、図5に示す実施形態について、上述し、かつ、図3Bに示したプロセスと同様とすることができる。   The manufacturing process of the embodiment shown in FIGS. 7 and 8 can be similar to the process described above and shown in FIG. 3B for the embodiments shown in FIGS. 3A, 4 and 5.

図9、図11Aは、「点接触」電極の使用に関連する製造上の問題を回避するのに役立ち得る、更なる別の組の実施形態を示す。図11Aは、光増幅器チップ1100の上面図を示し、図9は、図11Aの切断線C―Cで取った断面図である。図10は、図9の挿入図920の拡大図である。図4、図8にも示されるように、Tは、LEDエピタキシャル層の全厚さを表し、Wは、活性導波路コアの幅である。典型的には、Tは、数ミクロンのオーダーであり、Wは、約1ミクロンである。したがって、T/W(アスペクト比と称する)は、1のオーダーであるか、又はそれよりわずかに大きい。しかしながら、図9、図10、図11Aに示す実施形態では、Tは、約5〜10ミクロンであり、Wは、約1ミクロン又はサブミクロンである。(以下の製造プロセスの説明で説明するように)全厚さTは、元のウエハ基板900から、又はその上に成長したN型エピタキシャル層901と、902で表されるヘテロ接合LED構造内の発光量子井戸又は活性層と、P型層903と、活性コア931、932内の対応する層とを含む。従って、Tは、典型的には、Wよりも1桁大きく、その結果、アスペクト比は、10のオーダーである。さらに、典型的なLED構造層の屈折率に基づいて、QWの屈折率は、一般に、構造内で最も高い屈折率であり、その屈折率は、QWからの距離と共に減少する。したがって、QW層に向かう弱い光閉じ込めが存在する。この種の幾何学的形状及び屈折率分布により、活性コア931、933、及び、それらのそれぞれのクラッド947、940は、図10の項目1012によって図式的に示されるように、楕円形状の基本モードのパワー密度分布を有するスラブ導波路のように作用する。パワー密度分布は、その長軸が活性コアスラブ1001(すなわち、図10に示されるX軸)に沿って位置する状態で、そのピークパワーポイントをQW1002に位置合わせする。   9 and 11A illustrate yet another set of embodiments that may help avoid manufacturing problems associated with the use of “point contact” electrodes. FIG. 11A shows a top view of the optical amplifier chip 1100, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the section line CC in FIG. 11A. 10 is an enlarged view of the inset 920 of FIG. As shown in FIGS. 4 and 8, T represents the total thickness of the LED epitaxial layer, and W is the width of the active waveguide core. Typically, T is on the order of a few microns and W is about 1 micron. Therefore, T / W (referred to as aspect ratio) is on the order of 1 or slightly larger. However, in the embodiment shown in FIGS. 9, 10, and 11A, T is about 5-10 microns and W is about 1 micron or submicron. The total thickness T (as explained in the description of the manufacturing process below) is within the heterojunction LED structure represented by the N-type epitaxial layer 901 grown from or on the original wafer substrate 900 and 902. It includes a light emitting quantum well or active layer, a P-type layer 903, and corresponding layers in the active cores 931,932. Thus, T is typically an order of magnitude greater than W so that the aspect ratio is on the order of 10. Furthermore, based on the refractive index of a typical LED structure layer, the refractive index of a QW is generally the highest refractive index in the structure, and its refractive index decreases with distance from the QW. Therefore, there is weak light confinement towards the QW layer. With this type of geometric shape and refractive index profile, the active cores 931, 933, and their respective claddings 947, 940, as shown schematically by item 1012 in FIG. It acts like a slab waveguide with a power density distribution of. The power density distribution aligns its peak power point with the QW 1002 with its long axis positioned along the active core slab 1001 (ie, the X axis shown in FIG. 10).

なお、図9、図10において、901で表されるN型エピタキシャル層、及び活性コア931、933の下半分は、基板900の上に成長又は形成されていることに留意されたい。基板材料は、導電性であっても非導電性であってもよい。基板900が導電性である場合、図9に示されるように、N型エピタキシャル層への電気接続は、基板の裏側に形成されてもよい。一方、基板900が非導電性である場合、N型エピタキシャル層の下側への電気接続を確立するためには、エッチングプロセス(又は他の何らかの適切なプロセス)を使用して、基板材料を貫通するビア又はスルーホールを形成することが必要である。   9 and 10, it should be noted that the N-type epitaxial layer represented by 901 and the lower half of the active cores 931 and 933 are grown or formed on the substrate 900. The substrate material may be conductive or non-conductive. If the substrate 900 is conductive, an electrical connection to the N-type epitaxial layer may be made on the back side of the substrate, as shown in FIG. On the other hand, if the substrate 900 is non-conductive, an etching process (or any other suitable process) is used to penetrate the substrate material to establish an electrical connection to the underside of the N-type epitaxial layer. It is necessary to form vias or through holes.

基本モードの電力分布1012は、TEモード(主に図10のX軸に沿った電界)及びTMモード(主にY軸に沿った電界)と称される、2つの誘電分極を生じると言うことができる。クラッド層947、940内のエルビウムイオンから活性コア931、933内への誘導放出の結合係数は、TEモードとTMモードとの間でわずかに異なることが予想される。よって、TEモード及びTMモードのゲイン(光増幅における)もわずかに異なる。したがって、増幅は、偏光依存性を有し、これは多くの用途にとって負の効果となり得る。これを改善するために、図11Aに示すように、180度の位相シフト(半波長シフトとも呼ばれる)波長板1108を、コアループ1105のほぼ中間点に追加されたスロット1102に挿入してもよい。このため、入力ポート1101で光増幅器チップに入り、出力ポート1120に伝播するときに増幅される信号は、増幅ループの半分(すなわち、波長板1108から出力ポート1120)に対して「交換」された2つの偏光を有する。コアループ1105に沿った波長板1108のその位置は、光増幅器チップ1100の偏光依存性を最小にするように最適化することができる。加えて、波長板は、必要に応じて、又は所望に応じて、本明細書に記載される他の実施形態に同様に導入されてもよい。   The fundamental mode power distribution 1012 is said to produce two dielectric polarizations, referred to as the TE mode (mainly the electric field along the X axis in FIG. 10) and the TM mode (mainly the electric field along the Y axis). Can do. The coupling coefficient of stimulated emission from erbium ions in the cladding layers 947 and 940 into the active cores 931 and 933 is expected to be slightly different between the TE mode and the TM mode. Therefore, the gain of TE mode and TM mode (in optical amplification) is also slightly different. Thus, amplification has polarization dependence, which can be negative for many applications. To improve this, as shown in FIG. 11A, a 180 degree phase shift (also referred to as half-wave shift) wave plate 1108 may be inserted into a slot 1102 added at approximately the midpoint of the core loop 1105. Thus, the signal that is amplified when entering the optical amplifier chip at the input port 1101 and propagating to the output port 1120 has been “exchanged” for half of the amplification loop (ie, from the waveplate 1108 to the output port 1120). Has two polarizations. Its position of the wave plate 1108 along the core loop 1105 can be optimized to minimize the polarization dependence of the optical amplifier chip 1100. In addition, waveplates may be similarly introduced into other embodiments described herein as needed or desired.

波長板1108は、厚さがわずか数百ミクロンであるが、図11Aの挿入図1130の拡大図である図12Aに示すように、入射導波路と出射導波路との間に結合損失を引き起こす。図12Aに示すように、結合損失は、波長板1108(図12Aに項目1205として示す)の両側の導波路の幾何学的形状を変更することによって低減することができる。図12Aに示される実施形態では、入射導波路1221及び出射導波路1222の導波路コア端1211、1212をそれぞれテーパ状にすることにより、2つの導波路コア端1211、1212の間の波長板1205のスロット1202の軸方向距離(sで示された)に対する結合損失の感度が低くなる(例えば、“Highly Efficient Coupling Semiconductor Spot-Size Converter with an InP/InAlAs Multiple-Quantum-Well Core”, N. Yoshimoto, et al., Applied Optics, Vol. 34, No.6, Feb. 1995を参照)。テーパ付き導波路コア端1211、1212と波長板1205との間にあるクラッド材料は、波長板への光の結合及び波長板からの光の結合を改善する。導波路モードのための他のビーム拡大方法(例えば、“Arrayed Waveguide Collimator for Integrating Free-Space Optics on Polymer Waveguide Devices”, J. S. Shin, et al., Optics Express 23801, Vol. 22, No. 20, Oct. 2014を参照)も、波長板1205に入る前に、本実施形態の範囲内にある。   Wave plate 1108 is only a few hundred microns thick, but causes coupling losses between the input and output waveguides, as shown in FIG. 12A, which is an enlarged view of inset 1130 of FIG. 11A. As shown in FIG. 12A, the coupling loss can be reduced by changing the waveguide geometry on either side of the waveplate 1108 (shown as item 1205 in FIG. 12A). In the embodiment shown in FIG. 12A, the wave plate 1205 between the two waveguide core ends 1211 and 1212 is formed by tapering the waveguide core ends 1211 and 1212 of the input waveguide 1221 and the output waveguide 1222, respectively. The sensitivity of the coupling loss to the axial distance of the slot 1202 (denoted by s) is low (eg, “Highly Efficient Coupling Semiconductor Spot-Size Converter with an InP / InAlAs Multiple-Quantum-Well Core”, N. Yoshimoto , et al., Applied Optics, Vol. 34, No. 6, Feb. 1995). The cladding material between the tapered waveguide core ends 1211, 1212 and the wave plate 1205 improves the coupling of light into and out of the wave plate. Other beam expansion methods for waveguide modes (eg, “Arrayed Waveguide Collimator for Integrating Free-Space Optics on Polymer Waveguide Devices”, JS Shin, et al., Optics Express 23801, Vol. 22, No. 20, Oct Is also within the scope of this embodiment before entering the waveplate 1205.

図12Bは、共通のクラッド1257によって囲まれたオフセット2コア構造を利用する偏光回転子の実施形態の一例(“Silicon Photonic Circuit with Polarization Diversity”, H. Fukuda, et al., Optics Express 4872, Vol. 16, No. 7, March 2008を参照)を示す。ランダム偏光を有する入力信号は、第1のコア1251の入力ポート1250に送出され、TE及びTMで示される2つのモードに結合される。各モードは、第1のコアの屈折率(RI)よりも小さい屈折率(RI)を有する第2のコアを通過する際に、複屈折によって変換される。第2のコア1256を適切な長さにすると、TEモードは、TMモードに変換され、TMモードは、第1のコア1251の出力ポート1258でTEモードに変換される。図12Bに示される従来技術の実施形態のような偏光回転子は、図11A、12Aに示される波長板構造を置き換えるために使用され得る。   FIG. 12B shows an example of an embodiment of a polarization rotator that utilizes an offset two-core structure surrounded by a common cladding 1257 (“Silicon Photonic Circuit with Polarization Diversity”, H. Fukuda, et al., Optics Express 4872, Vol. 16, No. 7, March 2008). An input signal having random polarization is sent to the input port 1250 of the first core 1251 and is coupled into two modes denoted TE and TM. Each mode is converted by birefringence as it passes through a second core having a refractive index (RI) that is less than the refractive index (RI) of the first core. When the second core 1256 is appropriately lengthened, the TE mode is converted to TM mode, and the TM mode is converted to TE mode at the output port 1258 of the first core 1251. A polarization rotator such as the prior art embodiment shown in FIG. 12B can be used to replace the waveplate structure shown in FIGS. 11A, 12A.

図13、図14は、上記で説明され、図11A(及び図9、図10)に示された光増幅器チップ1100の偏光依存性を管理するための別の方法を利用する、別のセットの実施形態を示す。図13では、図11Aの波長板1108が除去され、その代わりに偏光結合器又は混合構造1308が、入力ポート1101と活性コアループ1105の開始部との間に追加され、そのような偏光結合又は混合構造が必要又は所望に応じて本明細書に提示される他の実施形態において同様に使用され得ることを除いて、図11Aと同一である。(偏光結合器1308の上面図が図14に示される。入力ポート1101に発射される信号光は、2つの偏光モード、すなわちTEモードのようなモード(主にy軸に沿った電界)及びTMモードのようなモード(主にx軸に沿った電界)に分解することができる。)両方のモードは、偏光スプリッタ1402によって2つの光路1407(TMモードを搬送)、1408(TEモードを搬送)に分割されるまで、導波路部1401に沿って伝播する。TEモードは、図14に例示されるように、偏光回転子1409によってTMモードに変換される。その後、光路1407、1408における2つのTMモードは、それぞれ、連結器1415によって結合され、活性コアループ1105の始めの部分に結合される。したがって、TMモードのみが伝播し、フル活性コアループ1105を介して増幅される。同様に、偏光結合器1308は、ランダム偏光を有する入力信号を、主にTEモードを搬送する信号に変換するためにも使用することができる。   FIGS. 13 and 14 illustrate another set of methods utilizing the different methods for managing the polarization dependence of the optical amplifier chip 1100 described above and illustrated in FIG. 11A (and FIGS. 9 and 10). An embodiment is shown. In FIG. 13, the waveplate 1108 of FIG. 11A is removed, and instead a polarization coupler or mixing structure 1308 is added between the input port 1101 and the start of the active core loop 1105 to provide such polarization coupling or mixing. Identical to FIG. 11A, except that the structure can be used as well in other embodiments presented herein as needed or desired. (A top view of the polarization coupler 1308 is shown in FIG. 14. The signal light emitted to the input port 1101 has two polarization modes, a mode such as TE mode (mainly the electric field along the y-axis) and TM. Mode can be broken down into modes (mainly along the x-axis).) Both modes are driven by polarization splitter 1402 in two optical paths 1407 (carrying TM mode), 1408 (carrying TE mode). It propagates along the waveguide part 1401 until it is divided. The TE mode is converted into the TM mode by the polarization rotator 1409 as illustrated in FIG. Thereafter, the two TM modes in the optical paths 1407 and 1408 are respectively coupled by a coupler 1415 and coupled to the beginning of the active core loop 1105. Therefore, only the TM mode propagates and is amplified through the full active core loop 1105. Similarly, polarization combiner 1308 can also be used to convert an input signal having random polarization into a signal that primarily carries a TE mode.

図9、図10、図11Aに示される実施形態、及び、図13、図14に示される同様の実施形態は、図7、図8の実施形態に示されるLED発光領域と同様のLED(又はより一般的には他の発光構造)発光領域を備える。なお、これらのLED発光領域911、912、913(図9参照)は、ポンプ電力を増加させるために使用されるが、(図3Aに示す実施形態のように)活性コア931、933自体が発光するため、これらを除去することができることは言及する価値があるだろう。したがって、図9、図10、図11Aの実施形態(及び、図13、図14の実施形態)では、正の電流拡散金属層908が、活性コア931、933、及び、LED発光領域911、912、913を備える、LED構造のP型層の上に直接堆積させることができる。また、電流拡散層908は、クラッド領域の上に適用されてもよい。この電流拡散層908は、基本モードの電力分布から比較的遠く離れているので、信号電力をあまり散逸させない。負電流拡散金属層921は、基板が導電性材料である場合、元のウエハ基板900の裏側に堆積される。正極接続ワイヤ915、負極接続ワイヤ925は、それぞれ、ボンディングパッド909、924にボンディングされ、LED構造に電圧及び電流を供給する。基板900が非導電性材料である場合、上述のように、負電極接続をN型エピタキシャル層に形成できるように、基板を貫通するビア又はスルーホールを形成しなければならない。   The embodiment shown in FIGS. 9, 10, and 11A and the similar embodiment shown in FIGS. 13 and 14 are similar to the LED light emitting areas shown in the embodiments of FIGS. More generally, it has a light emitting region. These LED light emitting areas 911, 912, 913 (see FIG. 9) are used to increase pump power, but the active cores 931, 933 themselves emit light (as in the embodiment shown in FIG. 3A). It would be worth mentioning that they can be removed. Accordingly, in the embodiment of FIGS. 9, 10, and 11A (and the embodiments of FIGS. 13 and 14), the positive current spreading metal layer 908 has the active cores 931 and 933 and the LED light emitting regions 911 and 912. 913, which can be deposited directly on the P-type layer of the LED structure. Further, the current spreading layer 908 may be applied on the cladding region. This current spreading layer 908 is relatively distant from the fundamental mode power distribution and therefore does not dissipate much signal power. The negative current spreading metal layer 921 is deposited on the back side of the original wafer substrate 900 when the substrate is a conductive material. The positive connection wire 915 and the negative connection wire 925 are bonded to bonding pads 909 and 924, respectively, and supply voltage and current to the LED structure. If the substrate 900 is a non-conductive material, vias or through holes must be formed through the substrate so that negative electrode connections can be formed in the N-type epitaxial layer as described above.

図9、図10、図11Aに示される実施形態の材料構造、及び、図13、図14に示される同様の実施形態を製造するための製造プロセスの例示的な手順を図11Bに示す。
1.次のエピタキシャル層に似た格子定数を持つGaAs等の半導体ウエハを選択する。
2.図6Aに示すLED構造を有するように、有機金属気相成長法(MOCVD)又は分子線エピタキシ(MBE)のいずれかによって、ウエハ上にN型層、QW層を成長させ、次いで、P型層を成長させる。
3.図9、図10、図11Aに示すように、フォトリソグラフィを使用し、次いで、化学気相エッチング又はウェットエッチングを使用して、螺旋状の活性コアループ1105(及びLED発光領域)、その対応する溝、及び、波長板の後の挿入のためのスロット1102を作成する。
4.化学蒸着又は物理的スパッタリングのいずれかを利用して、このクラッド材料が活性コアループのN型層と同じ高さになるまで、エルビウムドープSiO層を溝に堆積させる。
5.正の電流が拡散するように金属層を堆積させ、次にそのボンドパッドを堆積させる。
6.負の電流拡散のために、金属層をウエハ基板の裏面に堆積し、次いで、(単数又は複数)ボンドパッドを堆積する。(上述のように、ウエハ基板が非導電性材料である場合、負のボンドパッドとN型エピタキシャル層との間に電気接続を確立するために、基板材料を貫通するビア又はスルーホールを形成しなければならない。)
7.完成したウエハを、約10mm×10mmの寸法を有する個々の光増幅器チップにダイシングし、次いで、波長板1108を挿入する。
上記の図3Bと同様に、図11Bは、一例として意図されており、変形及び代替が採用されてもよく、図11Bにおける「ステップ」の使用は、説明の目的のためである。
An exemplary procedure of the manufacturing process for manufacturing the material structure of the embodiment shown in FIGS. 9, 10, and 11A and the similar embodiment shown in FIGS. 13 and 14 is shown in FIG. 11B.
1. A semiconductor wafer such as GaAs having a lattice constant similar to that of the next epitaxial layer is selected.
2. An N-type layer and a QW layer are grown on the wafer by either metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) so as to have the LED structure shown in FIG. Grow.
3. As shown in FIGS. 9, 10, and 11A, using photolithography and then using chemical vapor etching or wet etching, the spiral active core loop 1105 (and LED light emitting region) and its corresponding grooves And a slot 1102 for later insertion of the waveplate.
4). Using either chemical vapor deposition or physical sputtering, an erbium-doped SiO 2 layer is deposited in the trench until the cladding material is flush with the active core loop N-type layer.
5. A metal layer is deposited so that a positive current is diffused, and then the bond pad is deposited.
6). For negative current spreading, a metal layer is deposited on the back side of the wafer substrate, and then the bond pad (s) are deposited. (As described above, if the wafer substrate is a non-conductive material, vias or through holes are formed through the substrate material to establish electrical connection between the negative bond pad and the N-type epitaxial layer. There must be.)
7). The completed wafer is diced into individual optical amplifier chips having dimensions of about 10 mm × 10 mm, and then a wave plate 1108 is inserted.
Similar to FIG. 3B above, FIG. 11B is intended as an example, and variations and alternatives may be employed, and the use of “steps” in FIG. 11B is for illustrative purposes.

図3A、図4、図5、図7、図8に記載された実施形態における上部及び底部クラッド層は、図9、図10、図11A、図13、図14に記載された実施形態には必要とされないことに留意されたい。これは、(図9、図10、図11A、図13、図14に示す実施形態の)活性コア及びその周囲のクラッドがスラブ導波管のように作用するからである。このため、元の基板ウエハを除去し、次いで新しいウエハをLEDエピタキシャル構造に接合する必要がない。   The top and bottom cladding layers in the embodiments described in FIGS. 3A, 4, 5, 7, and 8 are not the same as those in the embodiments described in FIGS. 9, 10, 11 A, 13, and 14. Note that it is not required. This is because the active core (in the embodiment shown in FIGS. 9, 10, 11A, 13, and 14) and the surrounding cladding act like a slab waveguide. This eliminates the need to remove the original substrate wafer and then bond a new wafer to the LED epitaxial structure.

前述の詳細な説明は、例示及び説明の目的のために提示されている。本発明を包括的に扱ったり、又は、開示される正確な形態に限定することを意図するものではない。上記説明の観点から多くの変更及び変形が可能である。記載された実施形態は、含まれる原理及びそれらの実際の適用を最もよく説明するために選択され、それによって、他の当業者が企図する特定の使用に適したものとして、様々な実施形態を、様々な変更を伴って、最良に利用することを可能にする。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定されることが意図される。   The foregoing detailed description has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of the above description. The described embodiments are selected to best explain the principles involved and their practical application, thereby rendering the various embodiments suitable for specific uses contemplated by other persons skilled in the art. , With various changes, to make the best use. It is intended that the scope of the invention be defined by the appended claims.

前述の詳細な説明は、例示及び説明の目的のために提示されている。本発明を包括的に扱ったり、又は、開示される正確な形態に限定することを意図するものではない。上記説明の観点から多くの変更及び変形が可能である。記載された実施形態は、含まれる原理及びそれらの実際の適用を最もよく説明するために選択され、それによって、他の当業者が企図する特定の使用に適したものとして、様々な実施形態を、様々な変更を伴って、最良に利用することを可能にする。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定されることが意図される。
以下の項目は、国際出願時の請求の範囲に記載の要素である。
(項目1)
基板と、
前記基板上に形成され、光入力部から光出力部への光路を提供する光コアと、
前記光コア内、及び/又は、前記光コアに隣接して、前記基板上に形成された1つ以上の発光構造と、
前記光コア及び前記発光構造が配置される前記基板上に形成される1つ以上のクラッド層であって、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料がドープされる前記1つ以上のクラッド層と、
前記発光構造に接続される電気接点であって、前記電気接点に印加された電圧差に応じて、前記発光構造が前記1つ以上のドープされたクラッド層の少なくとも一部を照射する、前記電気接点と、
を備え、
前記ドーパント元素又はドーパント材料は、前記発光構造によって第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光で照射されたときに、前記第1の波長範囲内の光を発光する、光増幅器。
(項目2)
前記発光構造は、発光ダイオード(LED)構造を備える、項目1に記載の光増幅器。
(項目3)
前記LED構造は、1つ以上の量子井戸を備える、項目2に記載の光増幅器。
(項目4)
前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部内に形成される、項目1に記載の光増幅器。
(項目5)
前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部に隣接して前記基板上に形成され、前記1つ以上のクラッド層によって前記光コアから分離されている、項目1に記載の光増幅器。
(項目6)
前記第1の波長範囲は、400nm〜3000nmである、項目1に記載の光増幅器。
(項目7)
前記1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料は、1つ以上の希土類元素又は金属を含む、項目1に記載の光増幅器。
(項目8)
前記1つ以上の希土類元素は、エルビウムを含む、項目7に記載の光増幅器。
(項目9)
前記1つ以上の希土類元素は、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、又は、ネオジムのうちの1つ以上の元素を含む、項目7に記載の光増幅器。
(項目10)
前記光コアは、前記基板上に形成されるに際し、前記光路の隣接する部位が互いに反対方向に延びるように、それ自体がループバックする螺旋型の幾何学的形状を有する、項目1に記載の光増幅器。
(項目11)
前記1つ以上のクラッド層は、広帯域増感剤を備える、項目1に記載の光増幅器。
(項目12)
前記光入力部から前記光出力部への前記光路内に波長板をさらに備える、項目1に記載の光増幅器。
(項目13)
前記光入力部から前記光出力部への前記光路内に偏光回転子をさらに備える、項目1に記載の光増幅器。
(項目14)
前記光増幅器は、さらに、前記光入力部と前記光コアの少なくとも一部位との間に偏光結合構造を備え、
前記偏光結合構造は、前記光入力部に入射する光の偏光が単一の偏光に結合されるようにする偏光回転子を備える、項目1に記載の光増幅器。
(項目15)
基板と、
前記基板上に形成され、光入力部から光出力部への光路を提供する光コアと、
前記光コア内、及び/又は、前記光コアに隣接して、前記基板上に形成された1つ以上の発光構造と、
前記光コア及び前記発光構造に沿ったクラッドであって、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされる前記クラッドと、
前記発光構造に接続される電気接点であって、前記電気接点に印加された電圧差に応じて、前記発光構造が前記ドープされたクラッドの少なくとも一部を照射する、前記電気接点と
を備え、
前記ドーパント元素又はドーパント材料は、前記発光構造によって第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光で照射されたときに、前記第1の波長範囲内の光を発光する、光増幅器。
(項目16)
前記発光構造は、発光ダイオード(LED)構造を備える、項目15に記載の光増幅器。
(項目17)
前記LED構造は、1つ以上の量子井戸を備える、項目16に記載の光増幅器。
(項目18)
前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部内に形成される、項目15に記載の光増幅器。
(項目19)
前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部に隣接して前記基板上に形成され、前記クラッドによって前記光コアから分離されている、項目15に記載の光増幅器。
(項目20)
前記第1の波長範囲は、400nm〜3000nmである、項目15に記載の光増幅器。
(項目21)
前記1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料は、1つ以上の希土類元素又は金属を含む、項目15に記載の光増幅器。
(項目22)
前記1つ以上の希土類元素は、エルビウムを含む、項目21に記載の光増幅器。
(項目23)
前記1つ以上の希土類元素は、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、又は、ネオジムのうちの1つ以上を含む、項目21に記載の光増幅器。
(項目24)
前記光入力部から前記光出力部への前記光路内に波長板をさらに備える、項目15に記載の光増幅器。
(項目25)
前記光入力部から前記光出力部への前記光路内に偏光回転子をさらに備える、項目15に記載の光増幅器。
(項目26)
前記光増幅器は、さらに、前記光入力部と前記光コアの少なくとも一部位との間に偏光結合構造を備え、
前記偏光結合構造は、前記光入力部に入射する光の偏光が単一の偏光に結合されるようにする偏光回転子を備える、項目15に記載の光増幅器。
(項目27)
前記クラッドは、広帯域増感剤を含む、項目15に記載の光増幅器。
(項目28)
前記光コアは、前記基板上に形成されるに際し、前記光路の隣接する部位が互いに反対方向に延びるように、それ自体がループバックする螺旋型の幾何学的形状を有する、項目15に記載の光増幅器。
(項目29)
光増幅器を形成する方法であって、
第1の基板上に発光エピタキシャル層を成長させるステップと、
パターン化された光コアと、前記光コア内及び/又は前記光コアに隣接する発光構造と、を前記発光エピタキシャル層から形成するステップと、
前記パターン化された光コア上に1つ以上のクラッド層を堆積させるステップであって、前記1つ以上のクラッド層は、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記1つ以上のクラッド層は、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされ、前記ドーパント元素又はドーパント材料は、第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光によって照射されると、前記第1の波長範囲内の光を発光する、前記ステップと、
前記1つ以上のクラッド層上に、前記発光構造と接触する第1セットの電気接続部を作製するステップと、
前記第1セットの電気接続部の上に第2の基板を形成するステップと、
前記第1の基板上に形成された前記パターン化された光コアから前記第1の基板を除去するステップと、
前記第1の基板を除去することによって露出された表面上に、前記発光構造と接触する第2の組の電気接続部を作製するステップと、
備える、光増幅器を形成する方法。
(項目30)
前記方法は、さらに、
前記第2の組の電気接続部を作製する前に、前記第1の基板を除去することによって露出された前記表面上に1つ又は複数の追加クラッド層を形成するステップを備え、
前記第2の組の電気接続は、前記1つ又は複数の追加クラッド層の上に形成され、
前記1つ又は複数の追加クラッド層は、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、
前記1つ又は複数の追加クラッド層は、1つ以上の希土類元素又は他のドーパント材料でドープされる、項目29に記載の方法。
(項目31)
前記方法は、さらに、
前記発光エピタキシャル層を成長させる前に前記第1の基板上にエッチングストップ層を形成するステップを備え、
前記発光エピタキシャル層は、前記エッチングストップ層上に成長する、項目29に記載の方法。
(項目32)
前記発光構造は、発光ダイオード(LED)構造を備える、項目29に記載の方法。
(項目33)
前記LED構造は、1つ以上の量子井戸を備える、項目32に記載の方法。
(項目34)
前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部内に形成される、項目29に記載の方法。
(項目35)
前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部に隣接して前記第1の基板上に形成され、前記1つ以上のクラッド層によって前記光コアから分離されている、項目29に記載の方法。
(項目36)
前記第1の波長範囲は、400nm〜3000nmである、項目29に記載の方法。
(項目37)
前記1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料は、1つ以上の希土類元素又は金属を含む、項目27に記載の方法。
(項目38)
前記1つ以上の希土類元素は、エルビウムを含む、項目37に記載の方法。
(項目39)
前記1つ以上の希土類元素は、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、又はネオジムのうちの1つ以上を含む、項目37に記載の方法。
(項目40)
前記パターン化された光コア及び前記発光構造は、エッチングプロセスで形成される、項目29に記載の方法。
(項目41)
前記1つ以上のクラッド層は、化学蒸着プロセスで堆積される、項目29に記載の方法。
(項目42)
前記1つ以上のクラッド層は、スパッタリングプロセスで堆積される、項目29に記載の方法。
(項目43)
光増幅器を形成する方法であって、
基板の第1の表面上に発光エピタキシャル層を成長させるステップと、
パターン化された光コアと、前記光コア内及び/又は前記光コアに隣接する発光構造と、を前記発光エピタキシャル層から形成するステップと、
前記光コア及び前記発光構造に沿ってクラッドを堆積させるステップであって、前記クラッドは、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記クラッドは、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされ、前記ドーパント元素又はドーパント材料は、第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光によって照射されると、前記第1の波長範囲内の光を発光する、前記ステップと、
前記発光構造上に、前記発光構造と接触する第1セットの電気接続部を作製するステップと、
前記基板の第2の表面上に又は前記第2の表面を貫通させて、前記発光構造と電気的に接触する第2セットの電気接続部を作製するステップと、
を備える光増幅器の形成方法。
(項目44)
前記基板は、導電性であり、
前記第2セットの電気接続部は、前記基板の前記第2の表面上に形成される、項目43に記載の方法。
(項目45)
前記第2セットの電気接続部は、前記基板を貫通し、これにより、前記発光構造に接触する、項目43に記載の方法。
(項目46)
前記発光構造は、発光ダイオード(LED)構造を備える、項目43に記載の方法。
(項目47)
前記LED構造は、1つ以上の量子井戸を備える、項目46に記載の方法。
(項目48)
前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部内に形成される、項目43に記載の方法。
(項目49)
前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部に隣接して前記基板の第1表面上に形成され、前記クラッドによって前記光コアから分離されている、項目43に記載の方法。
(項目50)
前記第1の波長範囲は、400nm〜3000nmである、項目43に記載の方法。
(項目51)
前記1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料は、1つ以上の希土類元素又は金属を含む、項目43に記載の方法。
(項目52)
前記1つ以上の希土類元素は、エルビウムを含む、項目51に記載の方法。
(項目53)
前記1つ以上の希土類元素は、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、又はネオジムのうちの1つ以上を含む、項目51に記載の方法。
(項目54)
前記パターン化された光コア及び前記発光構造は、エッチングプロセスで形成される、項目43に記載の方法。
(項目55)
前記クラッドは、化学蒸着プロセスで堆積される、項目43に記載の方法。
(項目56)
前記クラッドは、スパッタリングプロセスで堆積される、項目43に記載の方法。

The foregoing detailed description has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of the above description. The described embodiments are selected to best explain the principles involved and their practical application, thereby rendering the various embodiments suitable for specific uses contemplated by other persons skilled in the art. , With various changes, to make the best use. It is intended that the scope of the invention be defined by the appended claims.
The following items are the elements described in the claims at the time of international application.
(Item 1)
A substrate,
An optical core formed on the substrate and providing an optical path from the light input section to the light output section;
One or more light emitting structures formed on the substrate in and / or adjacent to the optical core;
One or more cladding layers formed on the substrate on which the optical core and the light emitting structure are disposed, having a refractive index lower than the refractive index of the optical core; The one or more cladding layers doped with a dopant material;
An electrical contact connected to the light emitting structure, wherein the light emitting structure irradiates at least a portion of the one or more doped cladding layers in response to a voltage difference applied to the electrical contact. Contacts,
With
The optical element that emits light in the first wavelength range when the dopant element or dopant material is irradiated with light having a wavelength shorter than the wavelength in the first wavelength range by the light emitting structure.
(Item 2)
Item 4. The optical amplifier of item 1, wherein the light emitting structure comprises a light emitting diode (LED) structure.
(Item 3)
Item 3. The optical amplifier of item 2, wherein the LED structure comprises one or more quantum wells.
(Item 4)
The optical amplifier according to item 1, wherein the light emitting structure is formed in at least a part of the optical core.
(Item 5)
The optical amplifier according to item 1, wherein the light emitting structure is formed on the substrate adjacent to at least a portion of the optical core and separated from the optical core by the one or more cladding layers.
(Item 6)
The optical amplifier according to item 1, wherein the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm.
(Item 7)
The optical amplifier of item 1, wherein the one or more dopant elements or dopant materials comprise one or more rare earth elements or metals.
(Item 8)
Item 8. The optical amplifier according to Item 7, wherein the one or more rare earth elements include erbium.
(Item 9)
8. The optical amplifier according to item 7, wherein the one or more rare earth elements include one or more elements of praseodymium, thulium, ytterbium, or neodymium.
(Item 10)
Item 2. The optical core according to item 1, wherein when the optical core is formed on the substrate, the optical core has a spiral geometric shape that loops back so that adjacent portions of the optical path extend in opposite directions. Optical amplifier.
(Item 11)
The optical amplifier of item 1, wherein the one or more cladding layers comprise a broadband sensitizer.
(Item 12)
The optical amplifier according to item 1, further comprising a wave plate in the optical path from the optical input unit to the optical output unit.
(Item 13)
The optical amplifier according to item 1, further comprising a polarization rotator in the optical path from the optical input unit to the optical output unit.
(Item 14)
The optical amplifier further includes a polarization coupling structure between the optical input unit and at least a part of the optical core,
The optical amplifier according to item 1, wherein the polarization coupling structure includes a polarization rotator that allows polarization of light incident on the light input unit to be coupled into a single polarization.
(Item 15)
A substrate,
An optical core formed on the substrate and providing an optical path from the light input section to the light output section;
One or more light emitting structures formed on the substrate in and / or adjacent to the optical core;
A clad along the optical core and the light emitting structure, the clad having a refractive index lower than that of the optical core and doped with one or more dopant elements or dopant materials;
An electrical contact connected to the light emitting structure, wherein the light emitting structure irradiates at least a portion of the doped cladding in response to a voltage difference applied to the electrical contact; and
With
The optical element that emits light in the first wavelength range when the dopant element or dopant material is irradiated with light having a wavelength shorter than the wavelength in the first wavelength range by the light emitting structure.
(Item 16)
Item 16. The optical amplifier of item 15, wherein the light emitting structure comprises a light emitting diode (LED) structure.
(Item 17)
Item 17. The optical amplifier of item 16, wherein the LED structure comprises one or more quantum wells.
(Item 18)
16. The optical amplifier according to item 15, wherein the light emitting structure is formed in at least a part of the optical core.
(Item 19)
16. The optical amplifier according to item 15, wherein the light emitting structure is formed on the substrate adjacent to at least a part of the optical core and separated from the optical core by the cladding.
(Item 20)
Item 16. The optical amplifier according to Item 15, wherein the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm.
(Item 21)
16. The optical amplifier of item 15, wherein the one or more dopant elements or dopant materials include one or more rare earth elements or metals.
(Item 22)
Item 22. The optical amplifier according to Item 21, wherein the one or more rare earth elements include erbium.
(Item 23)
Item 22. The optical amplifier according to Item 21, wherein the one or more rare earth elements include one or more of praseodymium, thulium, ytterbium, or neodymium.
(Item 24)
16. The optical amplifier according to item 15, further comprising a wave plate in the optical path from the optical input unit to the optical output unit.
(Item 25)
16. The optical amplifier according to item 15, further comprising a polarization rotator in the optical path from the optical input unit to the optical output unit.
(Item 26)
The optical amplifier further includes a polarization coupling structure between the optical input unit and at least a part of the optical core,
Item 16. The optical amplifier according to Item 15, wherein the polarization coupling structure includes a polarization rotator that allows polarization of light incident on the light input unit to be coupled into a single polarization.
(Item 27)
16. The optical amplifier according to item 15, wherein the cladding includes a broadband sensitizer.
(Item 28)
16. The optical core according to item 15, wherein when the optical core is formed on the substrate, the optical core has a spiral geometric shape that loops back so that adjacent portions of the optical path extend in directions opposite to each other. Optical amplifier.
(Item 29)
A method of forming an optical amplifier comprising:
Growing a light emitting epitaxial layer on a first substrate;
Forming a patterned optical core and a light emitting structure in and / or adjacent to the optical core from the light emitting epitaxial layer;
Depositing one or more cladding layers on the patterned optical core, the one or more cladding layers having a refractive index lower than a refractive index of the optical core; The cladding layer is doped with one or more dopant elements or dopant materials, and the dopant elements or dopant materials are irradiated with light having a wavelength shorter than a wavelength in the first wavelength range, Emitting light in a wavelength range, and
Creating a first set of electrical connections in contact with the light emitting structure on the one or more cladding layers;
Forming a second substrate on the first set of electrical connections;
Removing the first substrate from the patterned optical core formed on the first substrate;
Creating a second set of electrical connections in contact with the light emitting structure on a surface exposed by removing the first substrate;
A method of forming an optical amplifier.
(Item 30)
The method further comprises:
Forming one or more additional cladding layers on the surface exposed by removing the first substrate prior to making the second set of electrical connections;
The second set of electrical connections is formed on the one or more additional cladding layers;
The one or more additional cladding layers have a refractive index lower than the refractive index of the optical core;
30. The method of item 29, wherein the one or more additional cladding layers are doped with one or more rare earth elements or other dopant materials.
(Item 31)
The method further comprises:
Forming an etch stop layer on the first substrate before growing the light emitting epitaxial layer;
30. The method of item 29, wherein the light emitting epitaxial layer is grown on the etch stop layer.
(Item 32)
30. The method of item 29, wherein the light emitting structure comprises a light emitting diode (LED) structure.
(Item 33)
33. A method according to item 32, wherein the LED structure comprises one or more quantum wells.
(Item 34)
30. The method of item 29, wherein the light emitting structure is formed in at least a portion of the optical core.
(Item 35)
30. The method of item 29, wherein the light emitting structure is formed on the first substrate adjacent to at least a portion of the optical core and separated from the optical core by the one or more cladding layers.
(Item 36)
30. The method of item 29, wherein the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm.
(Item 37)
28. A method according to item 27, wherein the one or more dopant elements or dopant materials include one or more rare earth elements or metals.
(Item 38)
40. The method of item 37, wherein the one or more rare earth elements comprises erbium.
(Item 39)
38. The method of item 37, wherein the one or more rare earth elements comprises one or more of praseodymium, thulium, ytterbium, or neodymium.
(Item 40)
30. The method of item 29, wherein the patterned optical core and the light emitting structure are formed by an etching process.
(Item 41)
30. The method of item 29, wherein the one or more cladding layers are deposited by a chemical vapor deposition process.
(Item 42)
30. The method of item 29, wherein the one or more cladding layers are deposited by a sputtering process.
(Item 43)
A method of forming an optical amplifier comprising:
Growing a light emitting epitaxial layer on a first surface of the substrate;
Forming a patterned optical core and a light emitting structure in and / or adjacent to the optical core from the light emitting epitaxial layer;
Depositing a cladding along the optical core and the light emitting structure, the cladding having a refractive index lower than a refractive index of the optical core, the cladding comprising one or more dopant elements or dopants Doped with a material, and the dopant element or dopant material emits light in the first wavelength range when illuminated with light having a wavelength shorter than a wavelength in the first wavelength range; and
Producing a first set of electrical connections on the light emitting structure in contact with the light emitting structure;
Creating a second set of electrical connections on or through the second surface of the substrate and in electrical contact with the light emitting structure;
A method of forming an optical amplifier comprising:
(Item 44)
The substrate is conductive;
45. The method of item 43, wherein the second set of electrical connections is formed on the second surface of the substrate.
(Item 45)
44. The method of item 43, wherein the second set of electrical connections penetrates the substrate and thereby contacts the light emitting structure.
(Item 46)
44. The method of item 43, wherein the light emitting structure comprises a light emitting diode (LED) structure.
(Item 47)
47. A method according to item 46, wherein the LED structure comprises one or more quantum wells.
(Item 48)
44. The method of item 43, wherein the light emitting structure is formed in at least a portion of the optical core.
(Item 49)
44. The method of item 43, wherein the light emitting structure is formed on a first surface of the substrate adjacent to at least a portion of the optical core and separated from the optical core by the cladding.
(Item 50)
44. A method according to item 43, wherein the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm.
(Item 51)
44. The method of item 43, wherein the one or more dopant elements or dopant materials comprise one or more rare earth elements or metals.
(Item 52)
52. The method of item 51, wherein the one or more rare earth elements comprises erbium.
(Item 53)
52. The method of item 51, wherein the one or more rare earth elements include one or more of praseodymium, thulium, ytterbium, or neodymium.
(Item 54)
44. The method of item 43, wherein the patterned optical core and the light emitting structure are formed by an etching process.
(Item 55)
44. The method of item 43, wherein the cladding is deposited by a chemical vapor deposition process.
(Item 56)
44. The method of item 43, wherein the cladding is deposited by a sputtering process.

Claims (56)

基板と、
前記基板上に形成され、光入力部から光出力部への光路を提供する光コアと、
前記光コア内、及び/又は、前記光コアに隣接して、前記基板上に形成された1つ以上の発光構造と、
前記光コア及び前記発光構造が配置される前記基板上に形成される1つ以上のクラッド層であって、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料がドープされる前記1つ以上のクラッド層と、
前記発光構造に接続される電気接点であって、前記電気接点に印加された電圧差に応じて、前記発光構造が前記1つ以上のドープされたクラッド層の少なくとも一部を照射する、前記電気接点と、
を備え、
前記ドーパント元素又はドーパント材料は、前記発光構造によって第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光で照射されたときに、前記第1の波長範囲内の光を発光する、光増幅器。
A substrate,
An optical core formed on the substrate and providing an optical path from the light input section to the light output section;
One or more light emitting structures formed on the substrate in and / or adjacent to the optical core;
One or more cladding layers formed on the substrate on which the optical core and the light emitting structure are disposed, having a refractive index lower than the refractive index of the optical core; The one or more cladding layers doped with a dopant material;
An electrical contact connected to the light emitting structure, wherein the light emitting structure irradiates at least a portion of the one or more doped cladding layers in response to a voltage difference applied to the electrical contact. Contacts,
With
The optical element that emits light in the first wavelength range when the dopant element or dopant material is irradiated with light having a wavelength shorter than the wavelength in the first wavelength range by the light emitting structure.
前記発光構造は、発光ダイオード(LED)構造を備える、請求項1に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 1, wherein the light emitting structure comprises a light emitting diode (LED) structure. 前記LED構造は、1つ以上の量子井戸を備える、請求項2に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 2, wherein the LED structure comprises one or more quantum wells. 前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部内に形成される、請求項1に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 1, wherein the light emitting structure is formed in at least a part of the optical core. 前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部に隣接して前記基板上に形成され、前記1つ以上のクラッド層によって前記光コアから分離されている、請求項1に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 1, wherein the light emitting structure is formed on the substrate adjacent to at least a portion of the optical core and separated from the optical core by the one or more cladding layers. 前記第1の波長範囲は、400nm〜3000nmである、請求項1に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 1, wherein the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm. 前記1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料は、1つ以上の希土類元素又は金属を含む、請求項1に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 1, wherein the one or more dopant elements or dopant materials comprise one or more rare earth elements or metals. 前記1つ以上の希土類元素は、エルビウムを含む、請求項7に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 7, wherein the one or more rare earth elements include erbium. 前記1つ以上の希土類元素は、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、又は、ネオジムのうちの1つ以上の元素を含む、請求項7に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 7, wherein the one or more rare earth elements include one or more elements of praseodymium, thulium, ytterbium, or neodymium. 前記光コアは、前記基板上に形成されるに際し、前記光路の隣接する部位が互いに反対方向に延びるように、それ自体がループバックする螺旋型の幾何学的形状を有する、請求項1に記載の光増幅器。   2. The optical core according to claim 1, wherein when the optical core is formed on the substrate, the optical core has a spiral geometric shape that loops back so that adjacent portions of the optical path extend in opposite directions. Optical amplifier. 前記1つ以上のクラッド層は、広帯域増感剤を備える、請求項1に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 1, wherein the one or more cladding layers comprise a broadband sensitizer. 前記光入力部から前記光出力部への前記光路内に波長板をさらに備える、請求項1に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 1, further comprising a wave plate in the optical path from the optical input unit to the optical output unit. 前記光入力部から前記光出力部への前記光路内に偏光回転子をさらに備える、請求項1に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 1, further comprising a polarization rotator in the optical path from the optical input unit to the optical output unit. 前記光増幅器は、さらに、前記光入力部と前記光コアの少なくとも一部位との間に偏光結合構造を備え、
前記偏光結合構造は、前記光入力部に入射する光の偏光が単一の偏光に結合されるようにする偏光回転子を備える、請求項1に記載の光増幅器。
The optical amplifier further includes a polarization coupling structure between the optical input unit and at least a part of the optical core,
The optical amplifier according to claim 1, wherein the polarization coupling structure includes a polarization rotator that allows polarization of light incident on the light input unit to be coupled into a single polarization.
基板と、
前記基板上に形成され、光入力部から光出力部への光路を提供する光コアと、
前記光コア内、及び/又は、前記光コアに隣接して、前記基板上に形成された1つ以上の発光構造と、
前記光コア及び前記発光構造に沿ったクラッドであって、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされる前記クラッドと、
前記発光構造に接続される電気接点であって、前記電気接点に印加された電圧差に応じて、前記発光構造が前記ドープされたクラッドの少なくとも一部を照射する、前記電気接点と
を備え、
前記ドーパント元素又はドーパント材料は、前記発光構造によって第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光で照射されたときに、前記第1の波長範囲内の光を発光する、光増幅器。
A substrate,
An optical core formed on the substrate and providing an optical path from the light input section to the light output section;
One or more light emitting structures formed on the substrate in and / or adjacent to the optical core;
A clad along the optical core and the light emitting structure, the clad having a refractive index lower than that of the optical core and doped with one or more dopant elements or dopant materials;
An electrical contact connected to the light emitting structure, the electrical contact irradiating at least a portion of the doped cladding in response to a voltage difference applied to the electrical contact; and
The optical element that emits light in the first wavelength range when the dopant element or dopant material is irradiated with light having a wavelength shorter than the wavelength in the first wavelength range by the light emitting structure.
前記発光構造は、発光ダイオード(LED)構造を備える、請求項15に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 15, wherein the light emitting structure comprises a light emitting diode (LED) structure. 前記LED構造は、1つ以上の量子井戸を備える、請求項16に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 16, wherein the LED structure comprises one or more quantum wells. 前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部内に形成される、請求項15に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 15, wherein the light emitting structure is formed in at least a part of the optical core. 前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部に隣接して前記基板上に形成され、前記クラッドによって前記光コアから分離されている、請求項15に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 15, wherein the light emitting structure is formed on the substrate adjacent to at least a part of the optical core and separated from the optical core by the cladding. 前記第1の波長範囲は、400nm〜3000nmである、請求項15に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 15, wherein the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm. 前記1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料は、1つ以上の希土類元素又は金属を含む、請求項15に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 15, wherein the one or more dopant elements or dopant materials comprise one or more rare earth elements or metals. 前記1つ以上の希土類元素は、エルビウムを含む、請求項21に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 21, wherein the one or more rare earth elements comprises erbium. 前記1つ以上の希土類元素は、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、又は、ネオジムのうちの1つ以上を含む、請求項21に記載の光増幅器。   The optical amplifier of claim 21, wherein the one or more rare earth elements include one or more of praseodymium, thulium, ytterbium, or neodymium. 前記光入力部から前記光出力部への前記光路内に波長板をさらに備える、請求項15に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 15, further comprising a wave plate in the optical path from the optical input unit to the optical output unit. 前記光入力部から前記光出力部への前記光路内に偏光回転子をさらに備える、請求項15に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 15, further comprising a polarization rotator in the optical path from the optical input unit to the optical output unit. 前記光増幅器は、さらに、前記光入力部と前記光コアの少なくとも一部位との間に偏光結合構造を備え、
前記偏光結合構造は、前記光入力部に入射する光の偏光が単一の偏光に結合されるようにする偏光回転子を備える、請求項15に記載の光増幅器。
The optical amplifier further includes a polarization coupling structure between the optical input unit and at least a part of the optical core,
The optical amplifier according to claim 15, wherein the polarization coupling structure includes a polarization rotator that allows polarization of light incident on the optical input unit to be coupled into a single polarization.
前記クラッドは、広帯域増感剤を含む、請求項15に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 15, wherein the cladding includes a broadband sensitizer. 前記光コアは、前記基板上に形成されるに際し、前記光路の隣接する部位が互いに反対方向に延びるように、それ自体がループバックする螺旋型の幾何学的形状を有する、請求項15に記載の光増幅器。   16. The optical core according to claim 15, wherein when the optical core is formed on the substrate, the optical core has a spiral geometric shape that loops back so that adjacent portions of the optical path extend in opposite directions. Optical amplifier. 光増幅器を形成する方法であって、
第1の基板上に発光エピタキシャル層を成長させるステップと、
パターン化された光コアと、前記光コア内及び/又は前記光コアに隣接する発光構造と、を前記発光エピタキシャル層から形成するステップと、
前記パターン化された光コア上に1つ以上のクラッド層を堆積させるステップであって、前記1つ以上のクラッド層は、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記1つ以上のクラッド層は、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされ、前記ドーパント元素又はドーパント材料は、第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光によって照射されると、前記第1の波長範囲内の光を発光する、前記ステップと、
前記1つ以上のクラッド層上に、前記発光構造と接触する第1セットの電気接続部を作製するステップと、
前記第1セットの電気接続部の上に第2の基板を形成するステップと、
前記第1の基板上に形成された前記パターン化された光コアから前記第1の基板を除去するステップと、
前記第1の基板を除去することによって露出された表面上に、前記発光構造と接触する第2の組の電気接続部を作製するステップと、
備える、光増幅器を形成する方法。
A method of forming an optical amplifier comprising:
Growing a light emitting epitaxial layer on a first substrate;
Forming a patterned optical core and a light emitting structure in and / or adjacent to the optical core from the light emitting epitaxial layer;
Depositing one or more cladding layers on the patterned optical core, the one or more cladding layers having a refractive index lower than a refractive index of the optical core; The cladding layer is doped with one or more dopant elements or dopant materials, and the dopant elements or dopant materials are irradiated with light having a wavelength shorter than a wavelength in the first wavelength range, Emitting light in a wavelength range, and
Creating a first set of electrical connections in contact with the light emitting structure on the one or more cladding layers;
Forming a second substrate on the first set of electrical connections;
Removing the first substrate from the patterned optical core formed on the first substrate;
Creating a second set of electrical connections in contact with the light emitting structure on a surface exposed by removing the first substrate;
A method of forming an optical amplifier.
前記方法は、さらに、
前記第2の組の電気接続部を作製する前に、前記第1の基板を除去することによって露出された前記表面上に1つ又は複数の追加クラッド層を形成するステップを備え、
前記第2の組の電気接続は、前記1つ又は複数の追加クラッド層の上に形成され、
前記1つ又は複数の追加クラッド層は、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、
前記1つ又は複数の追加クラッド層は、1つ以上の希土類元素又は他のドーパント材料でドープされる、請求項29に記載の方法。
The method further comprises:
Forming one or more additional cladding layers on the surface exposed by removing the first substrate prior to making the second set of electrical connections;
The second set of electrical connections is formed on the one or more additional cladding layers;
The one or more additional cladding layers have a refractive index lower than the refractive index of the optical core;
30. The method of claim 29, wherein the one or more additional cladding layers are doped with one or more rare earth elements or other dopant materials.
前記方法は、さらに、
前記発光エピタキシャル層を成長させる前に前記第1の基板上にエッチングストップ層を形成するステップを備え、
前記発光エピタキシャル層は、前記エッチングストップ層上に成長する、請求項29に記載の方法。
The method further comprises:
Forming an etch stop layer on the first substrate before growing the light emitting epitaxial layer;
30. The method of claim 29, wherein the light emitting epitaxial layer is grown on the etch stop layer.
前記発光構造は、発光ダイオード(LED)構造を備える、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the light emitting structure comprises a light emitting diode (LED) structure. 前記LED構造は、1つ以上の量子井戸を備える、請求項32に記載の方法。   34. The method of claim 32, wherein the LED structure comprises one or more quantum wells. 前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部内に形成される、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the light emitting structure is formed in at least a portion of the optical core. 前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部に隣接して前記第1の基板上に形成され、前記1つ以上のクラッド層によって前記光コアから分離されている、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the light emitting structure is formed on the first substrate adjacent to at least a portion of the optical core and separated from the optical core by the one or more cladding layers. . 前記第1の波長範囲は、400nm〜3000nmである、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm. 前記1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料は、1つ以上の希土類元素又は金属を含む、請求項27に記載の方法。   28. The method of claim 27, wherein the one or more dopant elements or dopant materials comprise one or more rare earth elements or metals. 前記1つ以上の希土類元素は、エルビウムを含む、請求項37に記載の方法。   38. The method of claim 37, wherein the one or more rare earth elements comprises erbium. 前記1つ以上の希土類元素は、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、又はネオジムのうちの1つ以上を含む、請求項37に記載の方法。   38. The method of claim 37, wherein the one or more rare earth elements comprises one or more of praseodymium, thulium, ytterbium, or neodymium. 前記パターン化された光コア及び前記発光構造は、エッチングプロセスで形成される、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the patterned optical core and the light emitting structure are formed by an etching process. 前記1つ以上のクラッド層は、化学蒸着プロセスで堆積される、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the one or more cladding layers are deposited by a chemical vapor deposition process. 前記1つ以上のクラッド層は、スパッタリングプロセスで堆積される、請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, wherein the one or more cladding layers are deposited by a sputtering process. 光増幅器を形成する方法であって、
基板の第1の表面上に発光エピタキシャル層を成長させるステップと、
パターン化された光コアと、前記光コア内及び/又は前記光コアに隣接する発光構造と、を前記発光エピタキシャル層から形成するステップと、
前記光コア及び前記発光構造に沿ってクラッドを堆積させるステップであって、前記クラッドは、前記光コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、前記クラッドは、1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料でドープされ、前記ドーパント元素又はドーパント材料は、第1の波長範囲の波長よりも短い波長の光によって照射されると、前記第1の波長範囲内の光を発光する、前記ステップと、
前記発光構造上に、前記発光構造と接触する第1セットの電気接続部を作製するステップと、
前記基板の第2の表面上に又は前記第2の表面を貫通させて、前記発光構造と電気的に接触する第2セットの電気接続部を作製するステップと、
を備える光増幅器の形成方法。
A method of forming an optical amplifier comprising:
Growing a light emitting epitaxial layer on a first surface of the substrate;
Forming a patterned optical core and a light emitting structure in and / or adjacent to the optical core from the light emitting epitaxial layer;
Depositing a cladding along the optical core and the light emitting structure, the cladding having a refractive index lower than a refractive index of the optical core, the cladding comprising one or more dopant elements or dopants Doped with a material, and the dopant element or dopant material emits light in the first wavelength range when illuminated with light having a wavelength shorter than a wavelength in the first wavelength range; and
Producing a first set of electrical connections on the light emitting structure in contact with the light emitting structure;
Creating a second set of electrical connections on or through the second surface of the substrate and in electrical contact with the light emitting structure;
A method of forming an optical amplifier comprising:
前記基板は、導電性であり、
前記第2セットの電気接続部は、前記基板の前記第2の表面上に形成される、請求項43に記載の方法。
The substrate is conductive;
44. The method of claim 43, wherein the second set of electrical connections is formed on the second surface of the substrate.
前記第2セットの電気接続部は、前記基板を貫通し、これにより、前記発光構造に接触する、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the second set of electrical connections penetrates the substrate and thereby contacts the light emitting structure. 前記発光構造は、発光ダイオード(LED)構造を備える、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the light emitting structure comprises a light emitting diode (LED) structure. 前記LED構造は、1つ以上の量子井戸を備える、請求項46に記載の方法。   48. The method of claim 46, wherein the LED structure comprises one or more quantum wells. 前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部内に形成される、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the light emitting structure is formed in at least a portion of the optical core. 前記発光構造は、前記光コアの少なくとも一部に隣接して前記基板の第1表面上に形成され、前記クラッドによって前記光コアから分離されている、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the light emitting structure is formed on a first surface of the substrate adjacent to at least a portion of the optical core and separated from the optical core by the cladding. 前記第1の波長範囲は、400nm〜3000nmである、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the first wavelength range is 400 nm to 3000 nm. 前記1つ以上のドーパント元素又はドーパント材料は、1つ以上の希土類元素又は金属を含む、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the one or more dopant elements or dopant materials comprise one or more rare earth elements or metals. 前記1つ以上の希土類元素は、エルビウムを含む、請求項51に記載の方法。   52. The method of claim 51, wherein the one or more rare earth elements comprises erbium. 前記1つ以上の希土類元素は、プラセオジム、ツリウム、イッテルビウム、又はネオジムのうちの1つ以上を含む、請求項51に記載の方法。   52. The method of claim 51, wherein the one or more rare earth elements comprises one or more of praseodymium, thulium, ytterbium, or neodymium. 前記パターン化された光コア及び前記発光構造は、エッチングプロセスで形成される、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the patterned optical core and the light emitting structure are formed by an etching process. 前記クラッドは、化学蒸着プロセスで堆積される、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the cladding is deposited by a chemical vapor deposition process. 前記クラッドは、スパッタリングプロセスで堆積される、請求項43に記載の方法。   44. The method of claim 43, wherein the cladding is deposited by a sputtering process.
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